摘要：本設計充分研究家用渦輪流量計的泵體破裂的狀況，分析泵體破裂的原因。對家用渦輪流量計的泵體做出結構改進，設計出新型泵體且不易破裂的家用渦輪流量計，并用三維實體軟件對家用渦輪流量計進行了實體造型。

0 引言

家用渦輪流量計在農村中一般放置在露天進行抽水、引水，農民每天生活都要進行抽水、引水、用水，渦輪流量計極大地方便了農民的生活。然而，家用渦輪流量計在冬天卻經常出現泵體破裂的現象 （見圖 1），泵體的破裂使渦輪流量計處于癱瘓當中，農民無法進行引水和合適的用水，造成了農民飲水難的問題。因此，分析家用渦輪流量計破裂的原因，找到解決破裂的措施，合理設計家用渦輪流量計，對于農民的生活將有重要的現實意義。

1 家用渦輪流量計的總體設計

1.1 家用渦輪流量計的基本構造渦輪流量計的基本結構由葉輪、泵體、密封環、泵軸、壓水室等部分組成，見圖 2。

1.1.1 葉輪 渦輪流量計葉輪具有將電動機的機械能傳遞給水并使水的能量增加的功能。葉輪由葉片、輪轂組成。葉輪的種類也較多，主要有封閉式、半封閉式、開敞式等 3 種，本設計采用封閉式的。值得注意的是，當葉輪不平衡或者葉輪的安裝不當時，一般會導致葉輪出現磨損或者打壞，甚至還會發生汽蝕，產生空洞。

1.1.2 泵體 泵體和葉輪封罩主要起到固定支撐、保護內部元件的作用。

1.1.3 泵軸 泵軸的作用是傳輸電動機產生的動力，從而帶動葉輪轉動。泵軸一般由軸承支撐，兩端分別連接著聯軸器、葉輪。為了提高泵軸的壽命，減少泵軸的磨損，一般在泵軸與其他零件連接的地方鍍一層有色金屬。在家用渦輪流量計工作了一定時間后，如果泵軸出現了磨損和彎曲變形，主要原因是葉輪裝配不夠精確，電動機軸與泵軸不同心，或沒有進行多次檢查、合理地潤滑。發生了問題后，應及時進行修理或者進行更換，以確保渦輪流量計的正常運行。否則，還會引起轉子的問題，嚴重影響渦輪流量計的使用壽命。

1.1.4 壓水室 壓水室充滿著壓力能，可以消除水的旋轉運動，從而使泵里水有動力進入到了出水管，達到引水的目的。不過需要注意的是，當出現過冷、過熱或安裝不當等問題時，容易使泵殼發生裂紋。當出現裂紋的時候，可以根據各個部位的要求進行合理的改進。一般來說，裂紋較小，該部位的密封性要求不嚴時，可以簡單處理就好。反之，則需要進行復雜處理或進行焊補。

1.1.5 密封環 密封環主要起到密封的作用，使泵里面工作環境真空，防止進入空氣。

1.2 家用渦輪流量計的工作原理

渦輪流量計工作時，電動機驅動葉輪以大約 1 000 ~3000 r/min 的速度運轉，帶動葉片使內部液體做同樣的旋轉運動。渦輪流量計內的液體向邊緣做徑向的離心力運動。里面的液體進入葉輪的時候，液體獲得動能流出泵外。由于液體通道變大從而速度降低，所以部分動能轉化為壓力能，如果達到一定壓力，通道擠出管就流出液體。因此，葉輪的泵殼不僅能起到保護葉輪的作用，還可以收集液體，是一個能量轉換的裝置。

當液體從葉輪流出的時候，在葉輪的中心區域就會達到局部的真空。這時貯槽液面上方的壓力大于底閥入口處水面的壓力，水又被不斷地吸入葉輪中。葉輪不斷地旋轉，由于泵內負壓的作用，在水平面的大氣壓力下，水被不斷吸入，再經過葉輪的做功不斷排出，依此循環。渦輪流量計的工作原理就是根據葉輪的高速旋轉產生的離心力來實現液體的輸送，從而可以進行引水。另外，在渦輪流量計工作之前要注意裝滿引水。因為空氣的密度很低，葉輪工作由于內部的水較少，產生的離心力也會變小，出水效率就會較低。因此，啟動渦輪流量計時應往泵體內注滿水，降低渦輪流量計的位置，使濾水管在動水位之下做到有水可抽。吸水管底部安放單向閥并設置濾網，可以防止固體顆粒進入泵體內。

2 家用渦輪流量計的結構設計

2.1 泵體的設計

家用渦輪流量計的泵體由吸水室、壓水室組成。在吸水室的進口和壓水室的出口分別對應的是渦輪流量計進口法蘭、出口法蘭，連接著進水管、出水管。吸水室一般是一段逐漸收縮的錐形短管或是等徑直管，其作用是將水流引入葉輪，并向葉輪提供所需要的液體。泵體的頂部設有排氣孔，其作用主要是保持真空的環境和灌水。泵體強度較高，在進行抽水的時候，需要從注水口往泵體內注滿水。泵體由鑄鐵或鑄鋼等材料制造，其內表面要求光滑，以減小水力損失。

2.2 家用渦輪流量計葉輪的設計

葉輪的三維圖見圖 3。在渦輪流量計的眾多部件中，葉輪是核心部件之一，對于工作效率的大小發揮著重要作用。泵入口和葉片處產生水力損失和間隙損失大多是葉輪設計不合理造成的。渦輪流量計葉輪用鑄鐵制成。渦輪流量計葉輪的形狀和尺寸與渦輪流量計性能有密切關系。渦輪流量計葉輪主要分為單吸式葉輪、雙吸式葉輪。單吸式主要是單邊吸水，小流量。雙吸式葉輪為兩邊吸水，大流量。渦輪流量計葉輪通過電動機帶動旋轉，從而使其內部介質具有了離心力，介質也因此具有了動能。葉輪主要尺寸的確定有 3 種方法：①速度系數法；②相似換算法；③葉輪外徑 D 或葉片出口角的理論計算。葉輪采用速度系數法設計，速度系數法是建立一系列相似泵基礎上的設計，利用其數據計算相關的尺寸。

2.3 葉片數的選擇

葉片數的多少對于渦輪流量計的揚程、效率有一定的影響。選擇葉片數，不僅要考慮葉片受到的排擠和表面的摩擦，還要考慮葉道有足夠的長度，從而保證液流的穩定性。

3 家用渦輪流量計泵體分析及改進措施

3.1 家用渦輪流量計的泵體破裂分析

3.1.1 家用渦輪流量計泵體材料 我國絕大多數的家用渦輪流量計泵體材料都是采用灰鑄鐵。我國泵業發展起步較晚，其中先進制造技術相對匱乏，一般的企業無法十分精確地控制熔料的配方，鐵澆水的溫度，使得所制造出來的泵體中的材質的金相組織達不到相應標準，因此泵體的強度不足，很容易在較高的壓力下破裂。

3.1.2 家用渦輪流量計造型 我國家用渦輪流量計大多還是手工造型，達不到批量的機械化生產，在手工的制造中難免會出現或多或少不夠精確的標準，造成了泵體周圍的厚薄不均勻，再加之渦輪流量計在運行過程中，渦輪流量計電機突然驟停，易發生水擊現象，導致里面壓強的升高，大幅度的壓強波動，給泵體造成的破壞性極大，導致了泵體的破裂，不過這部分的原因在家用渦輪流量計中造成的破壞是很小的，使用時很少會發生這種情況。

3.1.3 家用渦輪流量計冬天破裂的主要原因 水的結冰點在 0 ℃，當水結成冰時，泵體內的體積變大，而泵體是固定的，所以泵體很容易受到結冰體積變大，較終導致泵體撐破。打個比方說，就跟我們吃東西吃多了一樣。家用閥門一般都限制較低使用溫度為0 ℃，而泵體一般暴露在室外。因為溫度很低，導致泵體內的液體凝固，從而撐破泵體。此外，渦輪流量計內部結冰還容易發生在電動機工作時，由于泵體存在固體，出水進水困難，從而導致電機損壞。只要泵體內充滿水，對于大冬天安裝在室外的渦輪流量計來說，泵體破裂的現象就會大量出現。因此，低溫和泵體內存在水是泵體破裂的主要原因。

3.2 家用渦輪流量計泵體的改進

通過上述對泵體破裂原因進行分析，可以知道泵體破裂的主要原因是：泵體內始終充滿著水，冬天氣溫低，而且家用渦輪流量計通常在室外，使得泵體內的水很容易發生凝固，當泵內所有的水都凝固成冰時，就很容易導致泵體的破裂，影響泵體的使用。為此，需要在泵體下邊開一個可以將泵體內的水引流的口，然后再將那個口設計一個可以自動輕易卸載的螺絲或者堵塞物。值得注意的是，如此設計一定要保證家用渦輪流量計工作的密閉性，不能因為開了一個口，導致其密閉性下降，影響家用渦輪流量計正常工作。同時，所設計的口，一般不用打開，只有在冬天，溫度相對較低時才打開，引流泵內的水，從而達到冬天保護泵體的效果。改造后的家渦輪流量計實體見圖 4。

4 結論

本文主要通過對家用渦輪流量計泵體冬天破裂的原因進行了分析，通過三維實體軟件設計出了合理的家用渦輪流量計的實體造型。傳統的家用渦輪流量計泵體在冬天很容易由于結冰而被撐裂，而本設計是泵體下設計了可以控制開關的口，對泵體的水進行合理引流，從而解決了家用渦輪流量計泵體冬天破裂的問題。