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摘要：内回流泵是污水处理厂生物反应池A2/O 工艺中的重要设备，具有流量大、扬程极低的特点，同时又具备机电一体化装置效 率高的优点。但国内对内回流泵，特别是大功率的回流泵的研究还处于初始阶段，缺乏较为系统的设计方法。对内回流泵的整体结 构，强度及可靠性进行分析，系统总结了内回流泵的整体结构设计、水力设计、安装系统设计。认为内回流泵潜水电机的流线型外 形设计能够提高流动通畅性和机组效率；设计螺旋桨时需要考虑叶片数、叶栅稠密度、轮毂比和叶片包角等几个主要设计参数；导 流壳的设计需要与螺旋桨配合。所设计的回流泵已投入应用，应用结果表明：回流泵运行正常，各项指标均达到用户使用要求，节能效果明显。
关键词：内回流泵,结构设计,水力设计,螺旋桨,导流壳,潜水电机,A2/O 工艺
Internal Recirculation Pump Design for A2/O Process of Sewage Treatment
Xu Naijiang , Shi Haiyan , Xu Xiangyang
(Zhejiang Fengqiu Crane Pump Co. ,Ltd. ,Shaoxing ,Zhejiang 311800 ,China )
Abstract : Internal reflux pump is an importan equipment in A2/O process f biological reaction tank in ,sewage treatment plant. It has the characteristics of large flow and very low head and as a mechatronics device it is very efficient. However the domestic research on internal reflux pumps ,especially high- power ones ,is still in the early stage and lack of systematic design methods . The structure ,strength and reliability of the internal reflux pump are analyzed ,and the overall structure design ,hydraulic design and installation system design of the internal reflux pump are systematically summarized. It is considered that the streamlined shape design of submersible motor of internal reflux pump can improve the flow patency and unit efficiency ;when designing propeller ,several main design parameters such as blade number ,cascade density , hub ratio and blade envelope angle should be considered;and the design of the deflector needs to match with the propeller. The designed reflux pump has been put into application. Practical results show that the reflux pump runs normally ,all the indexes meet the user's requirements ,and the energy saving effect is obvious .
Key words : internal recirculation pump;structure design;hydraulic design;propeller;diversion shell;submersible motor;A2/O process
0 引言
目前国内外污水处理工程中广泛使用回流泵，回流泵分为内回流泵和外回流泵。内回流泵主要用于污水生化反应池中，将好氧池的混合液按一定的比例（回流 比）输送到缺氧池，达到脱氮除磷的目的[1-3 ]。该型泵 具有流量大、扬程超低(0. 2 ~ 2 m)、与立式泵相比机组 效率高、装置结构简单、操作维护方便的优点，因而在污水处理工程特别是在生化反应池中得到广泛应用。
传统污水处理回流工艺一般采用潜水排污泵、潜水混流泵和潜水轴流泵等产品。但潜水排污泵在大流量、低扬程工况下效率很低，且振动大，抗汽蚀性能差，机组运行可靠性差。潜水混流泵及潜水轴流泵具有大流量、低扬程的特点，但其安装时需要井筒等管路装置，结构 复杂，装置效率低。同时，上述泵在输送污泥混合液 时，流量会大幅度下降。据统计，下降幅度高达60 %,达不到回流比要求，严重影响污水处理效果。因此，现代污水处理工艺迫切需要一种能很好解决上述难题的回流泵。
目前，国内回流泵产品种类很少。大口径、大流 量、大功率(22 kW) 的产品处于空白状态。而国外产 品最大功率已达30 kW, 最大口径产品的最大流量达4500 m3 /h 。
大功率的内回流的设计有较高的技术壁垒，性能和 可靠性要求都很高。通过分析需求，大功率回流泵在使 用过程中主要存在：水力效率低、电机易超载；导流壳 易变形、刚度不够；叶片强度不够，易断裂；防漩涡措 施不够，运行不够平稳，振动大等问题。
为此，本文分析了A2/O 工艺流程，并结合所开发 的25 kW 内回流泵，综合论述了内回流泵的设计，从结构设计、水力设计、安装系统设计等方面给出了系统的设计方法。
1 需求分析
A2/O 工艺( AAO 工艺、AAO 法），即厌氧－缺氧－好氧，是一种常用的二级污水处理工艺，具有同步脱氮除磷的作用，可用于二级污水处理或三级污水处理；后续增加深度处理后，可作为中水回用，具有良好的脱氮除磷效果。A2/O 工艺应用较早，积累的运行管理经验丰富，工艺相当成 熟，技术风险性小。因该工艺是普通活性污泥法基础 上发展起来的，故其适用于老污水厂的改造。对于新建 污水厂，可以通过改良，在一定程度上使其运行效果更 稳定，该工艺广泛用于大型污水处理厂[1-3]。A2/O 工艺 流程如图1所示。图中，混合液回流（内回流）是指未 经沉淀池沉淀的硝化液从好氧池回流到缺氧池，主要目的是给缺氧池补充反硝化物。由于好氧池与缺氧池构筑物在同一水平面上，两池之间的水位差较低，因此回流 泵所需的扬程较低。污泥回流（外回流）是将二沉池中的活性污泥输送到厌氧池。
图1 A2/O 工艺流程示意图
活性污泥是经过沉淀后的污泥浆，其主要作用是 调节生物反应池中的污泥浓度，使活性污泥与污水接 触后，其吸附、凝聚、沉淀及降解性能都能得到充分 地发挥，加快活性污泥反应进程，提高反应效果，达到除磷的目的。
因为二沉池的出泥点要比厌氧池的高程低，所以需要通过外回流泵输送。根据不同工况污泥回流比一般在50%~150% 。在此工艺中，外回流泵的性能及运行稳定性非常重 要。外回流泵一般应用潜水排污泵，扬程2~6 m。
2 内回流泵的设计原理
内回流泵流量大、扬程特低，一般采用穿墙安装 方式。内回流泵的安装方式如图2所示。可以看出，左 右两池的液位差比较小，一般为0. 2 ~ 0. 6 m。内回流泵 通过穿墙管，将左池的混合液提升到右池中。穿墙管右 端装有浮箱拍门，防止右池污水的倒流。总阻力损失很 小，一般不会超过1m。因此，泵的扬程应该较低。
传统轴流泵的安装方式如图3所示。可以看出，采 用传统轴流泵，把左池的混合液提升到右池中，需通过 井筒管路、总的管路损失将增加2~3 倍，因而泵的扬程 也要增加2~3 倍，水泵配套功率相应也要增加2~3 倍。
因此，泵的能耗大幅度增加，同时成本也大幅度 增加。因此对于内回流场合，采用内回流泵是最佳的 选择[4] 。
3 内回流泵的主要设计
3 . 1 整体结构设计
内回流泵结构如图4所示，主要由潜水电机、螺旋桨、导流壳、支撑架、起吊装置及机械密封等组成。
3 . 1 . 1 潜水电机设计
潜水电机主要由定子、转子、机壳、左轴承座（接 线盒）、右轴承座、机械密封座及轴承、机械密封组成。 电机与螺旋桨采用同轴直联型式。为降低转速，电机采 用多极电机，取消减速齿轮箱结构，整体结构简单，可 靠性高。电机的外形设计应呈流线型，以提高流动性和 水力效率[5]。电机的机壳外径与叶轮直径之比应控制在 0. 5 以下（较小的灯泡比），有利于降低流动损失。电机 整机细长美观，零部件通用性高。同时，由于工作时机 壳沉浸在水流中，电机的温升低，冷却效果好，大幅提高了电机寿命。电机电磁部分主要采用效率较高的Y3 系列电机。内回流的质量与潜水电机的质量紧密相关。
电泵潜水电缆的密封及电缆进线密封质量将直接关系到潜水电机的质量和性能，为此采用了水密电缆结构。采 用水密电缆，可实现电缆外表面、电缆线芯、线芯铜丝 间完全密封，杜绝外部水及外部湿气进入电机腔，确保电机安全运行。
3 . 1 . 2 轴承布置及设计
参照图4, 内回流主轴上设有主轴承和辅助轴承， 均为高温油脂永久润滑。主轴承在轴的右端，为一双 列向心推力轴承，主要承受螺旋桨工作时产生的轴向水推力以及由叶轮不平衡及电机电磁拉力产生的径向力。辅助轴承在轴的左端，为一深沟球轴承，主要承受转子重量及部分径向力。水泵主轴应有一定的强度和刚度。轴承规格大小及间距应能满足水泵工作时，产生 的轴向力、径向力等复杂负荷造成的疲劳，设计寿命必须达100 000 h 以上。
3 . 1 . 3 机械密封设计
机械密封一般采用两个独立的单端面机械密封，串 联内装式安装。油室中的机械密封采用C/SIC 组合，油 润滑；泵侧机械密封采用WC/SC 组合。同时，在螺旋桨轮毂与机械密封座之间采用特殊螺旋槽及切割式结构阻止固体颗粒及纤维杂质向泵侧机械密封沉积，确保 机械密封工作稳定[5-6]。此外，通过漏水保护系统确保电机腔不会进水。避免了单套双端面机械密封失效导 致电机进水。
3 . 1 . 4 电机的保护系统设计
内回流泵为水平安装结构，其保护系统设计与立式泵结构有所区别。电机的保护采取如下方式。在电机的三相绕组中，每相装有一热敏电阻PT100作为电机绕组的热保护；电机漏水保护则通过在油室内 低于中心轴平面以下水平安装两根漏水探头来检测油室中的含水量。轴承温控采用PT100。内回流泵的漏水、超温等故障信号通过专用继电器与控制柜连接，确保水泵安全运行。
3 . 1 . 5 水力部件结构设计
水力部件由螺旋桨及导流壳组成。螺旋桨叶片与轮毂焊接在一起，装在水泵主轴上。轮毂与机械密封间隙 配合，为防止纤维杂质在轮毂处堆积缠绕，轮毂配合处设有螺旋槽及切割装置。导流壳与安装支撑架焊接在一起，形成一体化结构，强度刚度满足要求。为避免传统 设计的抱箍结构易断裂且对中性不好的问题，导流壳由 收缩段和水平段组成，采用整体冲压拉伸结构。导流壳与机壳精密配合。最终确保螺旋桨与导流壳之间间隙均匀，水泵运转平稳，效率高。
此外，一体化导流壳上还设有起升架、导向块、耦合法兰及密封圈等。
3 . 2 水力设计
内回流泵的水力部件包括螺旋桨及多功能导流壳。
3 . 2 . 1 螺旋桨
螺旋桨的设计要求主要包括：自清洁功能；通过能力强，不能有纤维缠绕；大流量、超低扬程工作时效率 高；运行平稳，平衡性好；强度高，寿命长。
3 . 2 . 2 多功能导流壳
多功能导流壳的设计要求主要包括：与螺旋桨极佳 配合，确保水泵高效；具有导流、消除涡流、减震功能； 具有自动耦合功能，水泵提升、降落方便；一体化设计 强度高，寿命长。
3 . 2 . 3 螺旋桨参数
螺旋桨参数的设计比较复杂，可以参照轴流泵及搅拌机的设计方法。
( 1 ) 汽蚀性能及nD 值
内回流泵流量大，扬程超低，容易发生汽蚀。泵的 汽蚀性能与流量及淹没深度有关，设计时一般控制nD = 500, 确保水泵有较好的抗汽蚀性能。其中n为螺旋桨转 速，r/min ; D 为螺旋桨直径，m。
(2) 螺旋桨直径D
螺旋桨直径的计算方式为：
式中：Q 为设计流量，m3 /s ; K 为系数，通常取300 ~400。 给定K值算出叶轮直径后，再选择合适的电机转速，调整叶轮直径。
(3 ) 轮毂比dh /D
轮毂比计算轮毂直径dh 和螺旋桨直径D 的比值。轮毂用来固定叶片，在结构和强度上应保证安装叶片和调 节叶片的要求。从水力性能上讲，减小轮毂比可以减少 水力摩擦损失，增加过流面积，有利于抗汽蚀性能的改 善。但是过分地减小轮毂比，会增加叶片的扭曲，当偏 离设计工况时，会造成流体流动的紊乱，在叶轮出口形 成二次回流，降低泵的效率，高效范围变窄[5-6]。对于 内回流泵，合适的轮毂比为0. 2~0. 3。
(4) 叶栅稠密度l/t
叶栅稠密度是螺旋桨设计的重要参数，它直接影 响泵的效率，也是决定汽蚀性能的重要参数。减小l/t, 表示叶轮叶片总面积减小，叶片两面的压差增加，将 使汽蚀性能变坏，但另一方面，面积减小，可以提高效率。叶栅稠密度l/t 一般从叶片外径处向轮毂方向增 大。一般建议轮毂处与外径处l/t 比值=9 ; 轮毂处l/t比值=1 . 5 。[7 -9 ]
(5) 叶片数的选择
在叶栅稠密度l/t 值确定的情况下，叶片数增多，会 使过流截面被排挤，从而使效率下降，较少的叶片数可使 内回流泵的综合性能最佳。一般采用2~4 片，本文取3。叶片数确定后，轮毂比也随之确定，一般情况下，轮毂比和叶片数的对应关系如表1所示。
(6) 叶片角度的确定
叶片直径，轮毂直径及叶片数确定后，根据泵的设计 流量，设计扬程按升力法，就可以计算叶片的安装角度，注意叶片角度从轮毂往外径处应按一定的规律平稳变化。
(7 ) 叶片形状
叶片空间形状由叶片轴面投影图及叶片平面投影图确定，如图5所示。叶片轴面投影图采用前倾式以提高强 度。叶片平面投影图上，木模截线应按一定的规律分布， 本文采用混流式，同时叶片包角A 应控制在一定范围内 S1∶ S2=0. 4[9 -11]。另外叶片外径处流线长度L 应足够长， 这样叶片外径处与导流壳之间密封带相应足够长，这样 水泵不易漏水，有较高的容积效率。
(8) 叶片断面形状及结构型式
为提高回流泵的效率，叶片断面采用高效翼型结构， 断面厚度从轮毂至外径处变比规律为轮毂处最大，外径 处最小，这样可以提高叶片根部强度，满足水泵在恶劣 工况下运行的要求。此外，为达到叶片自清洁的及防缠 绕的功能，需要将叶片进口处修圆，叶片出口处呈后掠 形状[17,20]。同时在叶片设计中，将叶片等高线设计成向 叶片出口边方向呈凸形圆弧，具体结构如图6所示。
最后，为达到性能调节的要求，本文将轮毂设计成 球形，叶片采用精密压铸工艺，叶片与轮毂采用焊接结 构，并消除初始应力。
3 . 2 . 4 导流壳的水力设计
导流壳的设计也是相当重要。它直接影响水泵的性能。所设计的导流壳结构如图7所示。导流壳由两节组成，即收缩段和水平段。收缩段有一定的收缩角，根据总体结构要求，当量收缩角应控制在15°以下。水平段应有足够的长度与螺旋桨配合， 导流壳与叶轮之间的间隙B 应控制在0. 5% D 内(D 为 螺旋桨直径）。螺旋桨应缩入导流壳内，缩入距离C 应 控制在2%~3% D 范围内，这样才能保证有较高的效率。
图7 导流壳结构图
3 . 3 安装系统设计
参照图8, 内回流泵安装系统主要由水上部件和水 下部件组成。水上部分由起吊架，手摇葫芦，底座，膨 胀螺栓，上支座及导杆组成。水下部分由穿墙管，浮箱 拍门及导向法兰，下支座组成。安装回流泵时首先将水 泵固定在钢丝吊绳上，将导向块插入导杆中，手摇葫芦 将水泵沿着导杆缓慢地下降，直至与穿墙管准确耦合。 维护保养水泵时需要手摇葫芦将水泵沿着导杆均匀上升，直至回到地面上方。最后旋转起吊架将水泵轻轻地放到地面上。自动安装系统操作方便，安全可靠。
4 应用效果分析
按照以上理论研究和系统的设计方法，设计开发了 800RCP-25 型25 kW 的回流泵，具体设计参数如表2所示。
水泵样机通过回流泵专用测试台测试，各项数据满 足用户要求，达到了预期目的，水泵的测试数据如表3 所示，其性能如图9所示。
800RCP-25 型回流泵共应用了12 套在太原污水处理 厂，5 年的实践结果表明：水泵运行正常，各项指标均 达到用户使用要求，节能效果特别明显，完全替代了进 口产品，受到用户的高度评价。
5 结束语
本文针对污水处理工艺中关键设备，内回流泵的特 殊工况，对内回流泵的整体结构，强度及可靠性，总结 了较为系统的水力设计方法，最后优化设计并应用了一 种大功率内回流泵，可以得出以下结论：
(1) 内回流泵潜水电机的流线型外形设计对流动通畅性和机组效率的提高具有重要作用；
(2) 螺旋桨设计需要考虑叶片数、叶栅稠密度、轮毂比和叶片包角等几个主要设计参数的影响；
(3) 导流壳的设计需要考虑与螺旋桨的配合间隙以 及螺旋桨缩入导流壳内的适当距离，同时整合导流壳与 安装系统的设计，以提高整机的强度和可靠性，并减少焊接点和初始应力。
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