Xylem污水泵送白皮书 | 自适应N叶轮帮助小型污水泵解决堵塞问题

自 20 世纪初以来，水泵设计师一直专注于用增加通过尺寸的方式来减少堵塞。在采矿、工业和原水泵送应用中，泵送介质中的坚硬固体和球形物体是最常见的堵塞问题， 大的叶轮流道使得这些物体更容易通过泵体。虽然传统污水泵也设计有大的过流通道以避免堵塞，但事实证明，这对于大多数污水应用来说并非最佳方案。

与此同时，市政污水中最常见的固体——软质和纤维状物体的风险在很大程度上被忽视了。

对现代污水的详细调查和研究表明，污水中几乎从不包含直径与管道系统内径一样大的坚硬球形物体。即使此类物体进入污水系统，它们通常也会沉积或滞留在流速较低的区域，而不会到达泵体。

一个值得关注的问题：当今的污水中含有更高比例的软质物体。例如，种类不断增加的家用和个人卫生用品，包括纸巾、湿巾、碎布、洗碗布和其他纤维状物体。虽然这些物质中的大部分应作为垃圾处理，但许多消费者会将它们冲入马桶。因此，更多不易分解的纤维物体出现在污水中，进一步挑战了泵的性能。

图 1 是在污水中发现不同类型固体可能性的概念性图示。坚硬且近似球形的物体位于左侧，而柔软且细长的物体位于右侧。与许多系统一样，发现极大物体（无论是球形还是细长形）的概率非常低。重要的特征是这条分布曲线是不对称的——偏向于柔软、细长的物体，这些是当今污水中最常见的类型。

研究表明，堵塞问题主要是由纤维状物体引起的，它们往往会缠绕在传统叶轮的前缘上。纤维缠绕在这些前缘上，并在叶片两侧折叠。在笔直和适度弯曲的前缘上，杂物不会脱落；相反，它会继续堆积。这些堆积物会形成大块的固体材料（有时称为“布团”），从而导致堵塞。

随着物体逐渐在叶轮前缘周围堆积，水流的自由通道减少，泵的性能下降。这种现象称为软堵塞，因为它不会导致泵停止。泵将继续运行，但性能会降低到一定程度。软堵塞的一个典型影响是，泵需要运行更长时间才能泵送给定体积的污水。软堵塞泵的效率也低于未堵塞的泵。因此，软堵塞会增加能耗。软堵塞的另一个后果是振动水平升高，这会导致密封件和轴承加速磨损。

细小的异物也可能卡在蜗壳和叶轮之间，造成额外的摩擦。电机需要提供更大的扭矩来抵消制动效应，因此需要更高的输入功率。一旦运行电流超过跳闸电流（导致电机过载），泵运行就会停止。这称为硬堵塞。当软堵塞形成显著的布团时，也可能发生硬堵塞。硬堵塞的主要影响是停机，以及需要计划外的维修服务来清除堵塞并重新启动泵，从而增加了运营成本。

过去几十年的研发经验结合数十万台泵安装的经验表明，单纯关注通过尺寸的逻辑是不正确且具有误导性的。然而，它在污水泵采购规范中仍然普遍存在。用户反馈以及对传统叶轮的实验室测试得出了以下结果：

通道式水力设计旨在泵的最佳效率点（BEP）实现最佳的抗堵塞性。因此，工况点离 BEP 越远，抗堵塞性就越低。纤维材料在前缘上的逐渐堆积（图 3）将导致泵效率远低于工厂测试的清水值——这是软堵塞的典型影响。

这种设计在长期运行中引起巨大的径向载荷，使轴和轴承需要承受更大的应力，增加振动和噪音。由于叶轮永远无法完美平衡，振动会进一步加剧。

这些问题最终导致能耗增加、过度磨损和泵寿命缩短。

涡流叶轮与泵壳保持一定距离，提供了宽敞的蜗壳空间，但在泵送清水和污水时效率都很低。

泵设计师曾假设：

• 旋转的叶轮会在蜗壳内产生强烈的涡流，将液体和任何杂物泵出。

• 涡流叶轮将像变矩器一样工作，能量从叶轮传递到泵送介质，几乎没有或很少流体交换。

• 由于叶轮位于液流路径之外，物体永远不会与叶轮接触，因此泵不会堵塞。

然而，涡流叶轮的功能与其他离心叶轮一样，这意味着能量通过叶轮叶片传递到介质。因此，多叶片涡流叶轮对轮毂和前缘的软堵塞非常敏感。其流体动力学特性（流态与压力分布）会导致软性物料在叶片表面吸附聚集，进而使本就偏低的水力效率进一步下降。

此外，涡流泵往往会在蜗壳中积聚大量固体，造成额外损失，增加功耗，并最终导致电机过载和泵停机。

研究和调查表明，堵塞问题主要与泵难以排出缠绕在叶轮前缘的纤维状物体有关。N 型叶轮具有最新的自清洁设计，正是针对这些发现而开发的。通过大幅度后掠的水平前缘和一个卸荷槽，N 型水力设计已被证明是解决大多数堵塞问题的方案。此外，无需大的过流通道，叶轮可以设计成多叶片，这有助于减少径向力、改善平衡并提高效率。

图 6 显示了 N 型叶轮的堵塞概率，它远低于围绕大通过尺寸设计的传统叶轮。

图 7 展示了 N 型水力设计，包括一个半开式 N 型叶轮和一个带有导销的镶嵌环。

该自清洁技术的工作原理如下：

1. 具有后掠水平前缘的 N 型叶轮叶片通过将固体从镶嵌环的中心扫向外缘来实现自清洁。

2. 位于镶嵌环中的卸荷槽与水平前缘共同作用，引导固体排出叶轮。

3. 在小规格几何结构中，专门设计的导销会捕获卡在叶轮轮毂附近的任何纤维，并允许叶片将它们沿着卸荷槽推出泵外。

得益于排出坚硬物体的能力，自清洁技术显著减少了计划外维护并提高了可靠性。通过防止纤维状物体缠绕前缘并导致软堵塞，N 型叶轮确保了长期持续的高效率，从而降低了能耗。

与通道式水力不同，自清洁 N 型水力的抗堵塞性基于机械原理，不受流量变化的影响。因此，泵可以在性能曲线的不同工况点高效运行，最重要的是，可以在多种频率下高可靠性地运行。将 N 型水力设计与变频驱动器（VFD）配对可以实现更好的过程控制、节能、更平稳的运行并降低维护成本。

潜水泵通常由与泵叶轮紧密耦合的电动机驱动，如图 8 所示。当泵启动时，电流流入定子绕组并产生旋转磁场，通过轴带动转子旋转。因此，电机产生与电机功率成比例的扭矩。扭矩是一个物理量，它定义了力使物体绕轴或点旋转的趋势。

如前所述，通过自清洁 N 泵的物体被沿着卸荷槽推出。由于叶轮叶片和镶嵌环之间的间隙非常小，只有十分之几毫米，大的杂物被迫通过卸荷槽。当这种情况发生时，会产生额外的摩擦力，对叶轮起到制动作用并使其减速。泵必须提供额外的扭矩来克服这种额外的摩擦，这意味着需要更高的电机扭矩。如果最大电机扭矩不足，杂物将会卡住并使泵停止。这就是硬堵塞。

由于用于潜水污水泵的电机通常不会大幅度超配，满功率下提供的最大扭矩可能不足以将最坚硬的杂物推开。对于小型泵尤其如此，因为其扭矩裕度相对较低。为了进一步提高小型 N 泵的功能性，飞力开发了自适应 N 技术，以降低因扭矩不足导致的硬堵塞风险。

采用自适应技术后，N 型叶轮并非完全固定在轴上：它可以轴向上下移动，以响应大块杂物试图通过泵时产生的压差。这种运动暂时增大了叶轮叶片与镶嵌环之间的间隙。这使得最大块的布条和最坚硬的杂物能够顺利通过泵，无需额外的电机扭矩。当泵电机在单相电源上运行时（此时可用扭矩进一步降低），其优势更为显著。

如图 9 左侧所示，在大多数情况下，自适应N叶轮的工作方式与常规 N 型叶轮完全相同。但在需要时，叶轮会向上移动以通过更大的杂物，如图 9 右侧所示。

自适应机构利用叶轮上的液压差工作。与压力相关的力是 F=PxA，其中 P 是压力，A 是压力作用的面积。图 10 显示了组合力如何决定叶轮的位置。

图 10 左侧是在轻度污染污水中分布在叶轮上的液压力的概念图像。在叶轮底部，向上的压力随半径增加，因此力从叶轮中心向边缘增大。同时，在叶轮顶部，更高的压力均匀地作用在整个叶轮盘上。作用在叶轮上的合力具有向下的净值，并将叶轮保持在正常工作位置。

当一大块杂物进入叶轮时，力平衡将与正常运行不同。如图 10 右侧所示，在叶轮底部，逐渐增大的向上力被添加到液压作用力上。当向上的力超过向下的力时，叶轮开始向上移动，叶轮和镶嵌环之间的间隙变大。当间隙足够大时，杂物将通过叶轮。然后向上的力减小，叶轮返回到其原始工作位置。

由于这种自适应运动仅持续几分之一秒，瞬时的功率增加对泵的整体效率没有显著影响。这种自适应功能还减少了轴、密封件和轴承的负载，从而延长了它们的使用寿命。

总之，采用自适应 N 技术，配备低扭矩电机的小型泵的自清洁功能得到了显著改进。最终，可靠运行和持续的高效率降低了总拥有成本。

生命周期成本（LCC）分析是一种用于确定系统在其生命周期内的总成本或比较投资计划的方法论。任何设备的完整 LCC 分析包括与该设备相关的所有成本，包括初始投资、安装、运行、能源、停机、环境、维护和处置。计算方式中最重要的部分将取决于应用、地理位置、劳动力成本和能源成本——这些因素在不同市场之间可能有很大差异。

在评估污水泵选项时，通常使用简化分析。在这种情况下，最相关的因素是初始投资、能源成本和维护成本（尤其是计划外维护）。 其他因素可以从分析中排除。

堵塞是计划外维护成本中最重要的因素。泵在泵站中堵塞的次数可能有很大差异。最常见的因素是：

• 泵送介质的类型

• 泵水力设计的类型

• 泵运行周期的长度

• 泵的尺寸

• 电机扭矩和转动惯量

• 日常维护的执行情况

如上所述，用于污水应用的通道式叶轮泵可能会遭受软堵塞，并可能在长时间运行周期后跳闸。然而，遭受软堵塞的涡流式叶轮泵可能由于泵壳内的空间较大而继续运行。与其他类型的叶轮相比，这种更大的空间允许积聚更多的固体。在任何一种情况下，软堵塞往往会降低泵效率并诱发硬堵塞。

图 11 显示了随着时间的推移，软堵塞对传统泵（通道式或涡流水力设计）和自清洁泵（N 型或自适应N技术水力设计）的效率和能耗的影响。

如图 11a 所示，当传统泵在污水中连续运行时，效率下降，能耗逐渐增加。当传统泵间歇运行时（图 11b），趋势相同，即使反冲洗能暂时提高效率。相比之下，图 11c 显示，自清洁泵在污水中连续或间歇运行期间保持一致的效率和能耗，使其随着时间的推移能耗最低。

由于软堵塞导致的能源成本增加很容易在现场测量。然而，由于介质特性和运行周期的可变性，预测这些额外成本很困难。

图 11：两种不同运行场景下的传统泵性能

与自清洁 N 技术污水泵的比较

下面的示例提供了一个简化的 LCC 分析，比较了三种泵类型在每日运行时间短与长的情况下的成本：

在此示例中，不同类型水力设计的初始投资差异不大。在长运行周期中，初始投资仅占 LCC 的一小部分。此外，计划维护成本在各种泵选项中将大致相同。与此同时，由于硬堵塞导致的计划外维护成本将对 LCC 产生更大的影响。

当通道式叶轮泵每天运行12小时持续5年时（图14），其计划外维护成本超过初始投资的五倍。相比之下，自适应N型叶轮泵的维护成本仅为其初始投资的60%。虽然预计涡流式叶轮泵的服务次数少于通道式叶轮泵，但其效率低于其他水力设计类型，将导致更高的能耗成本。这甚至还没有考虑软堵塞造成的额外能耗成本，这很难预测，因此未计入 LCC 计算或这些图表中。考虑到这一点，涡流水力泵与其他两种水力设计相比将具有更高的能耗。

无论是每天运行 3 小时还是 12 小时（图 13 和 14），自适应N叶轮泵在污水应用中具有最低的生命周期成本，因为它将最小化计划外维护。如果考虑软堵塞造成的额外能耗，自适应N叶轮泵可以节省的费用甚至超过 LCC 分析所显示的。除了经济效益外，N 泵还为最终用户提供了无忧的运行体验。

对最小化运营成本的日益关注，特别是在污水应用中，催生了对具有更好抗堵塞性和更高效率水泵的需求。25 年前，飞力为此开发了一种自清洁水力设计。配备后掠水平前缘和卸荷槽的半开式 N 型叶轮可以显著降低堵塞风险。与传统水力设计相比，N 泵提供了持续的高效率和更高的可靠性。因此，自清洁 N 泵在世界各地广受欢迎。

由于小型污水泵的尺寸和电机扭矩有限，在最具挑战性的应用中采用 N 技术一直面临挑战。为了进一步增强自清洁功能，特别是为了降低扭矩相对较低的泵的硬堵塞风险，N 型叶轮增加了自适应技术。自适应N技术水力设计允许叶轮轴向移动，因此最坚硬的杂物可以通过。大量实验室和现场测试的结果表明，自适应N技术水力设计可以有效解决小型泵的软堵塞和硬堵塞问题。

此外，LCC 分析显示了自适应N叶轮泵巨大的节约成本潜力。在大多数情况下，节省来自于更低的能耗和计划外维护成本的减少。