內(nèi)裝式礦用潛水泵背葉片幾何參數(shù)對(duì)泄漏量的影響

摘 要：取內(nèi)裝式礦用潛水泵葉輪背葉片半徑、數(shù)量、高度等6個(gè)幾何參數(shù)為因素，每個(gè)因素選用3個(gè)水平，選用L18（37）正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)18個(gè)方案。利用商用軟件CFX，對(duì)N-S方程進(jìn)行離散，選用標(biāo)準(zhǔn)的模型，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)18個(gè)設(shè)計(jì)方案的全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析內(nèi)裝式礦用泵后口環(huán)處的泄漏量。對(duì)泄漏量結(jié)果進(jìn)行了極差分析，得到了背葉片幾何參數(shù)對(duì)泄漏量的影響的主次順序，并得出了最優(yōu)的幾何參數(shù)組合，并與無背葉片的情況作了對(duì)比。計(jì)算結(jié)果對(duì)內(nèi)裝式礦用泵背葉片的設(shè)計(jì)具有理論參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：內(nèi)裝式礦用潛水泵 背葉片 正交試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

中圖分類號(hào)：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（b）-0104-02

隨著煤礦采掘業(yè)建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，煤礦排水泵需求迅猛增長(zhǎng)，內(nèi)裝式礦用隔爆潛水泵依據(jù)市場(chǎng)需求，可以一次性將礦內(nèi)污水直排到地面。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)礦用隔爆潛水電泵的平均首次無故障運(yùn)行時(shí)間一般不超過1000h，煤礦污水中的運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，井下操作人員水平參差不齊，電泵的故障頻發(fā)，電機(jī)腔泄漏、機(jī)械密封壽命短、過流部件磨損、軸承失效、水力性能較低，泵可靠性較差。內(nèi)裝式礦用隔爆潛水泵一般在末級(jí)葉輪均設(shè)置背葉片，一方面可以防止煤炭顆粒進(jìn)入密封環(huán)，減少顆粒對(duì)口環(huán)的磨損。第二可以降低口環(huán)兩端面的壓力差，減少泄漏量[1]。

占梁梁，張克危對(duì)渣漿泵背葉片的密封能力用CFD進(jìn)行了分析，但計(jì)算時(shí)將泵的全流場(chǎng)分為了主流區(qū)和背葉片部分，不完全符合泵內(nèi)實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)[2]。周志安用理論推導(dǎo)，介紹了背葉片離心密封能力及其應(yīng)用[3]。蔡龍將CFD與理論對(duì)比分析，但是只對(duì)比分析了背葉片的流動(dòng)區(qū)域[4]。

本文利用CFD數(shù)值模擬的方法，基于正交試驗(yàn)方法，以ns=58內(nèi)裝式礦用潛水泵為模型，對(duì)背葉片幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)泵的全流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)，得出了背葉片對(duì)泄流量影響的主次因素；并對(duì)有無背葉片的情況進(jìn)行了內(nèi)流的對(duì)比。對(duì)內(nèi)裝式礦用泵背葉片的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

本文選用流量Q=200 m3/h，揚(yáng)程H=60 m，轉(zhuǎn)速n=2950 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=58的內(nèi)裝式礦用潛水泵的模型為計(jì)算模型。

該內(nèi)裝式礦用潛水泵設(shè)置了前后口環(huán)，口環(huán)過流間隙為0.2 mm，長(zhǎng)度為20 mm。本文采用Pro/e三維實(shí)體造型軟件進(jìn)行實(shí)體造型，將整泵的流場(chǎng)分為葉輪、蝸殼、進(jìn)口段、前泵腔、后泵腔、前口環(huán)、后口環(huán)、背葉片8個(gè)流體計(jì)算區(qū)域，該模型設(shè)置了兩個(gè)出口，如圖1所示。本文在設(shè)計(jì)背葉片時(shí)，選擇了三種背葉片的型線，背葉片模型如圖2所示。

隨著計(jì)算流體CFD軟件的發(fā)展，非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜的模型具有良好的適應(yīng)性[5]，但是在模型長(zhǎng)寬尺寸比例較大時(shí)，很難畫出質(zhì)量好的網(wǎng)格。本文在全流場(chǎng)模擬時(shí)，口環(huán)間隙的長(zhǎng)寬比為100，采用非結(jié)構(gòu)的四面體很難達(dá)到計(jì)算要求。本文采用了結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，當(dāng)葉輪、蝸殼、背葉片、泵腔、口環(huán)處網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到200萬以上時(shí)，網(wǎng)格數(shù)目對(duì)外特性的影響趨于穩(wěn)定，其中葉輪和蝸殼網(wǎng)格數(shù)目為69萬。選取湍流模型，假定進(jìn)口速度在軸向均勻分布，具體數(shù)值由流量與進(jìn)口面積比值給定。采用壓力出口邊界條件，出口1的靜壓力由設(shè)計(jì)揚(yáng)程估算得到，出口2的靜壓力設(shè)置為0Pa，即后口環(huán)處與大氣相通。在固壁處采用無滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，介質(zhì)選用清水。外徑、內(nèi)徑、高度、寬度、數(shù)量、形線等背葉片的幾何參數(shù)對(duì)背葉片的封液能力均有影響[6]。考慮到泵加工及裝配的可行性，選擇背葉片與后泵蓋之間的間隙δ=1mm，并將該間隙值作為因素之一，選用了7因素3水平的正交試驗(yàn)方案，具體因素水平選擇如表1所示[7]。具體的試驗(yàn)方案見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

一般來說，各列的極差是不相等的，這說明各因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是不相同的，極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，也就是最主要的因素。在設(shè)計(jì)工況下，對(duì)18個(gè)試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)后口環(huán)處的泄漏量，具體結(jié)果見表3。為了尋找對(duì)泄漏量影響的主次因素，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表4。

通過對(duì)背葉片幾何參數(shù)對(duì)泄漏量影響的極差分析得出：RC > RG > RD > RF > RB > RA > RE。所以，各因素從主到次的順序?yàn)椋篊（背葉片數(shù)量），G（背葉片寬度），D（背葉片高度），F(xiàn)（背葉片線型），B（背葉片內(nèi)徑），A（背葉片外徑）。從而得出最優(yōu)方案為：背葉片數(shù)量為8個(gè)，背葉片寬度為8 mm，背葉片高度為4 mm，背葉片線型為前彎，背葉片內(nèi)徑200 mm，背葉片外徑410 mm。

2.2 有無背葉片對(duì)比分析

無背葉片的情況下，后口環(huán)處的泄漏量為0.817kg/s，與正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，背葉片的存在可以明顯的降低后口環(huán)處的泄漏量，對(duì)液封能力有明顯的提高。

本文選用泄漏量最小的試驗(yàn)3作為模型，與無背葉片的情況進(jìn)行了內(nèi)流對(duì)比分析。圖3為后泵腔區(qū)域的壓力等值線，有背葉片時(shí)，后泵腔的最低壓力明顯的低于無背葉片存在的情況，由于背葉片對(duì)水體的干擾，造成了后泵腔進(jìn)口位置的壓力值增大，且靠近背葉片工作面的壓力大于背葉片背面。

圖4為后泵腔區(qū)域的速度矢量分布，有背葉片時(shí)，速度值明顯大于無背葉片存在的情況。

圖5為背葉片區(qū)域水體的壓力等值線分布，壓力具有明顯的梯度變化，在背葉片進(jìn)口的地方，由于背葉片的作用，造成了壓力值的增大；但后泵腔的壓力分布和背葉片流體區(qū)域的壓力分布總體相似。圖6為背葉片區(qū)域水體的速度矢量，在流道中間產(chǎn)生了一定的漩渦區(qū)，從而阻止了流體向口環(huán)處的泄漏。

3 結(jié)論

利用商用軟件CFX計(jì)算分析了背葉片不同幾何參數(shù)對(duì)后口環(huán)處的泄漏量影響，并與無背葉片的情況的內(nèi)流分析作了對(duì)比，結(jié)果表明。

（1）背葉片的存在能明顯的降低后口環(huán)處的泄漏量。

（2）背葉片的幾何參數(shù)對(duì)泄漏量有一定的影響，通過正交試驗(yàn)得出了背葉片幾何參數(shù)對(duì)泄漏量影響的主次因素為數(shù)量、寬度、高度、線型、內(nèi)徑、外徑。

參考文獻(xiàn)

[1]曹衛(wèi)東，李躍，孫新慶.內(nèi)裝式礦用隔爆多級(jí)潛水泵設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械，2009，27（3）：145-149.

[2]占梁梁，張克危，劉偉超.渣漿泵背葉片密封的CFD分析[J].潤(rùn)滑與密封，2004，3：57-63.

[3]周志安.背葉片離心密封的封液能力及其應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，1990，19（1）：27-31.

[4]蔡龍.淺談離心葉輪背葉片密封能力[J].水泵技術(shù)，2010（2）：36-39.

[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京：宇航出版社，1995.

[7]沈邦興.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國計(jì)量出版社，2005.