離心式渣漿泵的設(shè)計(jì)理論研究與應(yīng)用

摘要：渣漿泵是固液混合物料管道輸送的核心設(shè)備，在眾多工業(yè)部門具有廣泛的應(yīng)用。本文對渣漿泵的兩相流設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究，并利用該理論對渣漿泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)并得到了過流部件的參數(shù)，最后對本文設(shè)計(jì)的離心式渣漿泵的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行了分析。本文所設(shè)計(jì)的離心式渣漿泵耐磨性能好、使用壽命長，具有較高的工作效率和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：渣漿泵；離心泵；兩相流理論；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2013）05（c）0000-00

1 引言

渣漿泵在水利、煤炭、冶金等工業(yè)部門的固體物料水力運(yùn)輸方面被廣泛應(yīng)用并占有舉足輕重的地位。傳統(tǒng)的渣漿泵設(shè)計(jì)一般建立在單相流理論的基礎(chǔ)之上，而這種理論并不適合渣漿泵中所抽送的固液混合物料的兩相流體特性，因此設(shè)計(jì)出的渣漿泵軸封泄露比較嚴(yán)重，效率低、磨損嚴(yán)重且壽命短。雖然采用部分關(guān)鍵參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值的方法可以在一定程度上克服單相流理論的缺陷，但是對渣漿泵的性能改進(jìn)效果并不明顯。

因此，基于兩相流理論對渣漿泵進(jìn)行設(shè)計(jì)是提高其性能的關(guān)鍵。本文在兩相流理論的基礎(chǔ)上，考慮了所抽送兩相物料的具體性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用的離心式渣漿泵，所設(shè)計(jì)的渣漿泵具有耐磨、工作穩(wěn)定可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

2設(shè)計(jì)理論

根據(jù)兩相流理論進(jìn)行渣漿泵設(shè)計(jì)的核心思想是：要考慮到渣漿泵中的兩相物料是分離流動的，固相顆粒和水流的受力是不同的，由于固相顆粒在渣漿泵中的運(yùn)動和受力特性非常復(fù)雜，兩相流理論中有一種“畸變速度設(shè)計(jì)法”是利用固相顆粒的運(yùn)動和水流運(yùn)動的邊界條件近似相等的關(guān)系求出水流的畸變速度場后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)前先確定設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量Q=50m3·h-1，揚(yáng)程H=18m，轉(zhuǎn)速n=1450r·min-1，效率η=60%；以實(shí)際應(yīng)用中重介質(zhì)選煤為例，把磁鐵礦粉作為固相顆粒，其密度ρs=4.6*103kg·m-3，固相顆粒的最大直徑dsmax=0.075*10-3m，固相顆粒的中值粒徑d50=0.06*10-3m，固相顆粒的體積濃度Cv=20%，固相顆粒的質(zhì)量濃度Cw=53.5%，漿體密度ρm=1.72*103kg·m-3。

渣漿泵的過流部件價(jià)格如圖1所示，其中1為葉輪，2為吸水室，3為壓出室，本文主要對葉輪和壓出室進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 葉輪的設(shè)計(jì)

葉輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括葉輪進(jìn)口直徑D0，葉片進(jìn)口直徑D1，葉輪出口直徑D2，葉片進(jìn)口寬度b1和葉片出口寬度b2。

根據(jù)兩相流體模型，以葉輪內(nèi)的固液兩相流體的水力損失最小為原則，考慮到臨界沉降速度并且在離心力和繞流阻力的作用下葉輪中的固相和水流具有不同的速度，固相顆粒在葉輪的進(jìn)口容易堆積堵塞，水流速度相對更大，而固相顆粒在葉輪出口處對水流產(chǎn)生抽吸，固相顆粒的速度相對更大。根據(jù)以上原理進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到如下設(shè)計(jì)參數(shù)，葉輪軸面投影如圖2所示。

D0=0.070m，D1=0.066m，D2=0.200m，b1=0.037m，b2=0.032m。

2.2 壓出室的設(shè)計(jì)

壓出室設(shè)計(jì)的合理與否對渣漿泵的性能具有很大影響，為了保證設(shè)計(jì)出的離心式渣漿泵具有較高的效率和良好耐磨性，本文選擇渦室斷面為矩形的螺旋形壓出室。其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)包括基圓直徑D3，進(jìn)口寬度b3，隔舌安放角θ，渦室第VIII斷面面積FVIII。

其中D3一般取D2的1.05到1.20倍，具體取值與渣漿泵的大小有關(guān)，θ一般取30°到50°之間的角度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得如下設(shè)計(jì)參數(shù)：

D3=0.220m，b3=0.076m，θ=45°，F(xiàn)VIII=3.762*10-3 m2。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的離心式渣漿泵選擇臥式單級懸臂模式，其主要部件包括泵頭、軸封、傳動部件組成。

本文渣漿泵的泵頭由泵蓋、泵體、葉輪和護(hù)板四部分組成。采用雙泵殼結(jié)構(gòu)，用泵蓋和泵體共同構(gòu)成渣漿泵的外殼，為了保證外殼強(qiáng)度和便于加工，可以選用球墨鑄鐵材料制作外殼；內(nèi)殼由前后護(hù)板和護(hù)套組成，護(hù)套即為上文所設(shè)計(jì)的壓出室，為了提高甭的水利和耐磨性能，可以選用碳化硅制作內(nèi)殼。葉輪同樣選擇碳化硅作為制作材料，葉輪前盤和前護(hù)板之間采用斜面密封。

本文渣漿泵采用填料密封的方式進(jìn)行軸封，水封壓力要達(dá)到22m水柱，并且注意軸封部件要采用泵壓入式工作方式。

傳動部件可以采用滾筒式脂潤滑托架，并保證軸承能夠在托架上沿軸向運(yùn)動，軸承兩端進(jìn)行迷宮密封。

4 總結(jié)

采用以上方法設(shè)計(jì)得到的離心式渣漿泵能夠有效減輕泵中抽送的固液混合物料對過流部件的磨損，從而提高了渣漿泵的壽命和工作效率，并且軸封的設(shè)計(jì)對密封性提供了良好的保障，保證了渣漿泵可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

同時(shí)也可以看出利用兩相流理論進(jìn)行離心式渣漿泵的設(shè)計(jì)更符合渣漿泵的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的渣漿泵具有更廣闊的應(yīng)用空間。然而，在高濃度、粗顆粒、高硬度的固液混合物流下的渣漿泵設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，渣漿泵的計(jì)算機(jī)輔助化設(shè)計(jì)也是研究方向之一，對未來高性能、強(qiáng)耐磨耐腐蝕的渣漿泵的開發(fā)設(shè)計(jì)開辟了一條新的道路。

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