渣漿泵不同葉片型線結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪磨損的影響分析

穆經(jīng)緯

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程有限責(zé)任公司永定莊選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

我國的采煤制煤量巨大，在煤炭的洗選過程中，離心泵是必不可少的洗選設(shè)備。在不同形式的離心泵中，渣漿泵由于良好的通過性及耐磨性在煤炭的洗選過程中被廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行煤炭洗選的過程中，由于煤液含有大量的懸浮顆粒及硬質(zhì)固體顆粒等，在使用中對(duì)渣漿泵造成一定的磨損，影響洗選使用的效率，降低設(shè)備使用的穩(wěn)定性。在渣漿泵進(jìn)行洗選的過程中，葉輪部件作為主要的過流部件，其性能對(duì)渣漿泵的使用具有重要的影響，磨損過大時(shí)，會(huì)降低使用的效率[1-2]，并造成能耗及運(yùn)行成本的上升。

1 不同葉片型線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

渣漿泵對(duì)含有懸浮顆?；蛘呙芏容^高的兩相流體進(jìn)行輸送，以某煤礦使用的渣漿泵為例進(jìn)行葉片型線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。渣漿泵的葉輪進(jìn)口直徑為120 mm，出口直徑為350 mm，輪轂直徑為35 mm，葉片數(shù)量為5個(gè)，所使用的葉片為圓柱形，主要的型線形式有對(duì)數(shù)螺線、漸伸線及圓弧線三種。在渣漿泵葉輪內(nèi)部的煤液的流動(dòng)軌跡為對(duì)數(shù)螺線[3]，采用對(duì)數(shù)螺線的形式對(duì)葉片型線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

依據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)形式，不同的對(duì)數(shù)螺線對(duì)應(yīng)不同的葉片包角，依據(jù)選定的渣漿泵葉片的進(jìn)出口半徑，通過螺線對(duì)數(shù)的計(jì)算[4]，可得到葉片的包角范圍為87°～122°，選擇葉片包角分別為90°、100°、110°及120°四種，設(shè)計(jì)過程中保持其他的參數(shù)如葉片進(jìn)出口角、進(jìn)出口半徑、葉片厚度等不變，可得到四種不同的葉片型線如圖1 所示。依據(jù)四種不同的葉片型線結(jié)構(gòu)，可得到不同的葉輪形式。

圖1 不同包角的葉片型線結(jié)構(gòu)

2 不同葉片型線結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪磨損的影響分析

2.1 不同葉片型線結(jié)構(gòu)模型的建立

采用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)葉片產(chǎn)生的磨損進(jìn)行分析，通過Fluent 軟件進(jìn)行流動(dòng)的模擬仿真。依據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)形式，建立四種不同葉片結(jié)構(gòu)的葉輪，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)葉輪區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，并對(duì)劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，得到葉輪的網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 葉輪的網(wǎng)格劃分模型

湍流模型可分為直接和非直接兩種形式，非直接的湍流模型將各參數(shù)簡化后可得到近似的湍流方程，選用非直接的湍流模型，并進(jìn)行改進(jìn)，可達(dá)到適用于渣漿泵大區(qū)域及高應(yīng)變的RNG 模型，適用于對(duì)渣漿泵進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)模擬。采用改模型進(jìn)行仿真分析，假定固體顆粒是離散分布，液體是連續(xù)的流體介質(zhì)，兩者之間有明顯的速度差，溫度差別不大，并都可以進(jìn)行檢測得到，兩者之間的作用力是等效的。

對(duì)葉輪的磨損性能進(jìn)行分析，采用小功角和充蝕率的模型進(jìn)行分析，從而可以對(duì)葉輪的磨損進(jìn)行定量分析。模擬過程中壓力及速度的耦合作用采用simple算法進(jìn)行耦合計(jì)算，可進(jìn)行高效的計(jì)算。渣漿泵出口處流體介質(zhì)的速度及壓力不可控制，選取自由出流的邊界條件進(jìn)行模擬，工作過程中，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量較小，采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)設(shè)定為無滑移和絕熱的方式，壁面的粗糙度為50μm。計(jì)算過程中的殘差值設(shè)定為10-5作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，可保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及計(jì)算的效率，由此對(duì)不同的葉片結(jié)構(gòu)造成的磨損進(jìn)行分析。

2.2 不同葉片型線結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪的磨損分析

依據(jù)進(jìn)行洗選的煤液的狀態(tài)，設(shè)定介質(zhì)的固相濃度為7%，對(duì)四種不同包角的葉片型線結(jié)構(gòu)的葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行分析，得到不同葉片型線結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪的磨損特性的影響，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，相對(duì)原有的渣漿泵扭曲葉片，采用圓柱形的葉片對(duì)葉輪各部位的磨損強(qiáng)度有一定的增加，降低了葉輪整體的抗磨損特性；在葉輪不同的結(jié)構(gòu)組成中，后蓋板位置的磨損最大，是影響葉輪磨損強(qiáng)度的主要因素，前蓋板位置處的磨損最小。分析四處磨損位置在不同的葉片包角中的變化，100°包角時(shí)的葉片的磨損強(qiáng)度最小，當(dāng)包角大于100°時(shí)，葉輪的磨損均有一定程度的上升。

圖3 不同葉片型線結(jié)構(gòu)葉輪平均磨損強(qiáng)度變化

為進(jìn)一步分析葉片結(jié)構(gòu)形式變化對(duì)渣漿泵性能的綜合影響，對(duì)不同葉片型線結(jié)構(gòu)的渣漿泵的水力性能進(jìn)行分析，可得到如圖4 所示的渣漿泵水力性能的變化曲線。從圖4 中可以看出，采用圓柱形葉片整體上對(duì)水力性能具有較大的提升，降低了渣漿泵的軸功率，提高了水力的效率，當(dāng)葉片包角大于100°時(shí)，軸功率保持穩(wěn)定，揚(yáng)程和效率則隨著葉片包角的增加而增加。綜合圖3、圖4 可知，葉片的型線結(jié)構(gòu)對(duì)渣漿泵的磨損及水力性能存在著制約，在提升性能的同時(shí)將導(dǎo)致葉輪的磨損加劇，從而影響葉輪的使用壽命。因此，在進(jìn)行渣漿泵的設(shè)計(jì)及使用過程中，應(yīng)從使用壽命考慮選擇渣漿泵的葉片結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，保證設(shè)備使用的穩(wěn)定可靠。

圖4 不同葉片型線結(jié)構(gòu)水力性能的變化

3 結(jié)論

1）變角螺線設(shè)計(jì)的螺線型葉片可提高渣漿泵的水力性能，但降低了葉輪的磨損特性，四種不同的葉片包角中，以100°的葉片包角磨損量最小。

2）在進(jìn)行渣漿泵的設(shè)計(jì)使用中，應(yīng)綜合考慮葉輪的磨損及工作參數(shù)，從而保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠，提高煤炭洗選的效率。