摘要：本设计充分研究家用涡轮流量计的泵体破裂的状况，分析泵体破裂的原因。对家用涡轮流量计的泵体做出结构改进，设计出新型泵体且不易破裂的家用涡轮流量计，并用三维实体软件对家用涡轮流量计进行了实体造型。

0 引言

家用涡轮流量计在农村中一般放置在露天进行抽水、引水，农民每天生活都要进行抽水、引水、用水，涡轮流量计极大地方便了农民的生活。然而，家用涡轮流量计在冬天却经常出现泵体破裂的现象 （见图 1），泵体的破裂使涡轮流量计处于瘫痪当中，农民无法进行引水和合适的用水，造成了农民饮水难的问题。因此，分析家用涡轮流量计破裂的原因，找到解决破裂的措施，合理设计家用涡轮流量计，对于农民的生活将有重要的现实意义。

1 家用涡轮流量计的总体设计

1.1 家用涡轮流量计的基本构造涡轮流量计的基本结构由叶轮、泵体、密封环、泵轴、压水室等部分组成，见图 2。

1.1.1 叶轮 涡轮流量计叶轮具有将电动机的机械能传递给水并使水的能量增加的功能。叶轮由叶片、轮毂组成。叶轮的种类也较多，主要有封闭式、半封闭式、开敞式等 3 种，本设计采用封闭式的。值得注意的是，当叶轮不平衡或者叶轮的安装不当时，一般会导致叶轮出现磨损或者打坏，甚至还会发生汽蚀，产生空洞。

1.1.2 泵体 泵体和叶轮封罩主要起到固定支撑、保护内部元件的作用。

1.1.3 泵轴 泵轴的作用是传输电动机产生的动力，从而带动叶轮转动。泵轴一般由轴承支撑，两端分别连接着联轴器、叶轮。为了提高泵轴的寿命，减少泵轴的磨损，一般在泵轴与其他零件连接的地方镀一层有色金属。在家用涡轮流量计工作了一定时间后，如果泵轴出现了磨损和弯曲变形，主要原因是叶轮装配不够精确，电动机轴与泵轴不同心，或没有进行多次检查、合理地润滑。发生了问题后，应及时进行修理或者进行更换，以确保涡轮流量计的正常运行。否则，还会引起转子的问题，严重影响涡轮流量计的使用寿命。

1.1.4 压水室 压水室充满着压力能，可以消除水的旋转运动，从而使泵里水有动力进入到了出水管，达到引水的目的。不过需要注意的是，当出现过冷、过热或安装不当等问题时，容易使泵壳发生裂纹。当出现裂纹的时候，可以根据各个部位的要求进行合理的改进。一般来说，裂纹较小，该部位的密封性要求不严时，可以简单处理就好。反之，则需要进行复杂处理或进行焊补。

1.1.5 密封环 密封环主要起到密封的作用，使泵里面工作环境真空，防止进入空气。

1.2 家用涡轮流量计的工作原理

涡轮流量计工作时，电动机驱动叶轮以大约 1 000 ~3000 r/min 的速度运转，带动叶片使内部液体做同样的旋转运动。涡轮流量计内的液体向边缘做径向的离心力运动。里面的液体进入叶轮的时候，液体获得动能流出泵外。由于液体通道变大从而速度降低，所以部分动能转化为压力能，如果达到一定压力，通道挤出管就流出液体。因此，叶轮的泵壳不仅能起到保护叶轮的作用，还可以收集液体，是一个能量转换的装置。

当液体从叶轮流出的时候，在叶轮的中心区域就会达到局部的真空。这时贮槽液面上方的压力大于底阀入口处水面的压力，水又被不断地吸入叶轮中。叶轮不断地旋转，由于泵内负压的作用，在水平面的大气压力下，水被不断吸入，再经过叶轮的做功不断排出，依此循环。涡轮流量计的工作原理就是根据叶轮的高速旋转产生的离心力来实现液体的输送，从而可以进行引水。另外，在涡轮流量计工作之前要注意装满引水。因为空气的密度很低，叶轮工作由于内部的水较少，产生的离心力也会变小，出水效率就会较低。因此，启动涡轮流量计时应往泵体内注满水，降低涡轮流量计的位置，使滤水管在动水位之下做到有水可抽。吸水管底部安放单向阀并设置滤网，可以防止固体颗粒进入泵体内。

2 家用涡轮流量计的结构设计

2.1 泵体的设计

家用涡轮流量计的泵体由吸水室、压水室组成。在吸水室的进口和压水室的出口分别对应的是涡轮流量计进口法兰、出口法兰，连接着进水管、出水管。吸水室一般是一段逐渐收缩的锥形短管或是等径直管，其作用是将水流引入叶轮，并向叶轮提供所需要的液体。泵体的顶部设有排气孔，其作用主要是保持真空的环境和灌水。泵体强度较高，在进行抽水的时候，需要从注水口往泵体内注满水。泵体由铸铁或铸钢等材料制造，其内表面要求光滑，以减小水力损失。

2.2 家用涡轮流量计叶轮的设计

叶轮的三维图见图 3。在涡轮流量计的众多部件中，叶轮是核心部件之一，对于工作效率的大小发挥着重要作用。泵入口和叶片处产生水力损失和间隙损失大多是叶轮设计不合理造成的。涡轮流量计叶轮用铸铁制成。涡轮流量计叶轮的形状和尺寸与涡轮流量计性能有密切关系。涡轮流量计叶轮主要分为单吸式叶轮、双吸式叶轮。单吸式主要是单边吸水，小流量。双吸式叶轮为两边吸水，大流量。涡轮流量计叶轮通过电动机带动旋转，从而使其内部介质具有了离心力，介质也因此具有了动能。叶轮主要尺寸的确定有 3 种方法：①速度系数法；②相似换算法；③叶轮外径 D 或叶片出口角的理论计算。叶轮采用速度系数法设计，速度系数法是建立一系列相似泵基础上的设计，利用其数据计算相关的尺寸。

2.3 叶片数的选择

叶片数的多少对于涡轮流量计的扬程、效率有一定的影响。选择叶片数，不仅要考虑叶片受到的排挤和表面的摩擦，还要考虑叶道有足够的长度，从而保证液流的稳定性。

3 家用涡轮流量计泵体分析及改进措施

3.1 家用涡轮流量计的泵体破裂分析

3.1.1 家用涡轮流量计泵体材料 我国绝大多数的家用涡轮流量计泵体材料都是采用灰铸铁。我国泵业发展起步较晚，其中先进制造技术相对匮乏，一般的企业无法十分精确地控制熔料的配方，铁浇水的温度，使得所制造出来的泵体中的材质的金相组织达不到相应标准，因此泵体的强度不足，很容易在较高的压力下破裂。

3.1.2 家用涡轮流量计造型 我国家用涡轮流量计大多还是手工造型，达不到批量的机械化生产，在手工的制造中难免会出现或多或少不够精确的标准，造成了泵体周围的厚薄不均匀，再加之涡轮流量计在运行过程中，涡轮流量计电机突然骤停，易发生水击现象，导致里面压强的升高，大幅度的压强波动，给泵体造成的破坏性极大，导致了泵体的破裂，不过这部分的原因在家用涡轮流量计中造成的破坏是很小的，使用时很少会发生这种情况。

3.1.3 家用涡轮流量计冬天破裂的主要原因 水的结冰点在 0 ℃，当水结成冰时，泵体内的体积变大，而泵体是固定的，所以泵体很容易受到结冰体积变大，较终导致泵体撑破。打个比方说，就跟快猫记录生活记录你吃东西吃多了一样。家用阀门一般都限制较低使用温度为0 ℃，而泵体一般暴露在室外。因为温度很低，导致泵体内的液体凝固，从而撑破泵体。此外，涡轮流量计内部结冰还容易发生在电动机工作时，由于泵体存在固体，出水进水困难，从而导致电机损坏。只要泵体内充满水，对于大冬天安装在室外的涡轮流量计来说，泵体破裂的现象就会大量出现。因此，低温和泵体内存在水是泵体破裂的主要原因。

3.2 家用涡轮流量计泵体的改进

通过上述对泵体破裂原因进行分析，可以知道泵体破裂的主要原因是：泵体内始终充满着水，冬天气温低，而且家用涡轮流量计通常在室外，使得泵体内的水很容易发生凝固，当泵内所有的水都凝固成冰时，就很容易导致泵体的破裂，影响泵体的使用。为此，需要在泵体下边开一个可以将泵体内的水引流的口，然后再将那个口设计一个可以自动轻易卸载的螺丝或者堵塞物。值得注意的是，如此设计一定要保证家用涡轮流量计工作的密闭性，不能因为开了一个口，导致其密闭性下降，影响家用涡轮流量计正常工作。同时，所设计的口，一般不用打开，只有在冬天，温度相对较低时才打开，引流泵内的水，从而达到冬天保护泵体的效果。改造后的家涡轮流量计实体见图 4。

4 结论

本文主要通过对家用涡轮流量计泵体冬天破裂的原因进行了分析，通过三维实体软件设计出了合理的家用涡轮流量计的实体造型。传统的家用涡轮流量计泵体在冬天很容易由于结冰而被撑裂，而本设计是泵体下设计了可以控制开关的口，对泵体的水进行合理引流，从而解决了家用涡轮流量计泵体冬天破裂的问题。