顆粒對離心泵過流部件磨損的影響

趙以奎，許建強

(1.合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031;2.江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

固液兩相流離心泵廣泛地應用于礦山、冶金、電力和化工等領域，是進行精礦、尾礦、灰渣、泥沙等固體物料水力輸送的關鍵核心設備。由于固液兩相流離心泵內部漿體對過流部件的沖蝕、磨損作用，使葉輪和蝸殼的使用壽命成為重要的考核應用指標[1]。隨著計算機技術及計算流體動力學(CFD)技術的飛速發展，固液兩相流泵的內部流動特性和磨損機理已經取得了較好的研究成果[2-5]。Roco M C等[6-8]分析顆粒的運動規律后得出過流部件的磨損原因為顆粒的直接沖擊、紊亂沖擊和滑動摩擦。劉娟[9]對固液兩相流泵的磨損進行了數值計算，研究發現大顆粒沿著葉片工作面運動，易與葉片頭部發生撞擊，在多次撞擊中葉片受到嚴重磨損;而小顆粒運動趨勢則與之相反。李昳[10]通過對固液兩相流泵的研究，揭示了漿體流動對泵過流部件磨損特性的影響，研究發現葉片和隔舌處分別發生滑動磨損和沖擊磨損。

該基于CFD技術，從固相顆粒屬性及其他外部因素出發研究了顆粒的運動規律，通過數值計算獲得離心泵葉輪和蝸殼內固相體積濃度分布和固液兩相流動特性，定量分析固體顆粒對過流部件磨損的影響，為高性能的固液兩相流離心泵的研制提供指導。

1 計算模型

該文研究的模型泵設計參數流量(Q)為2440 m3/h，揚程(H)為40 m，轉速(n)為 990 r/min，比轉速(ns)為187，葉片數(z)為6，葉輪結構形式為半開式。工作介質為含有石灰石顆粒的溶液，顆粒的平均直徑為60～100 μm。在對模型泵的內部流場數值模擬之前，采用三維造型軟件PRO/E分別對葉輪、壓水室進行建模，得到脫硫泵整體的三維實體造型，葉輪實體造型見圖1，模型泵的流道實體造型見圖2。

圖1 葉輪實體造型Fig.1 Solid model of impeller

圖2 模型泵全流道實體造型Fig.2 Full flow field model of pump

考慮計算模型較為復雜，網格劃分采用含有六面體、四面體、錐體和楔形體的混合網格。葉輪網格節點數為184434，蝸殼網格節點數499157。

2 計算方法

數值計算采用三維不可壓縮N-S方程描述泵內部流動，選用標準k-ε湍流模型封閉方程組;采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，對基本方程的離散差分主要用如下格式:對流項的離散采用二階迎風格式，擴散項、源項采用二階中心差分格式。多相流模型采用Mixture模型，考慮相與相之間的滑移速度，液固交換系數采用Wen-Yu模型，顆粒碰撞歸還系數設為0.9。葉輪與壓水室的耦合采用多重參考坐標系法。

定義水為第一相，石灰石為第二相且全部為單一同種顆粒，各相為連續不可壓縮相，固體粒徑均勻且不發生相變。假定進口速度軸向均勻分布，兩相之間均勻分布且速度等于固體輸送速度;采用自由出口邊界條件;在固壁處采用無滑移邊界條件，近壁處采用標準壁函數。

3 數值計算結果與分析

3.1 固體顆粒對葉輪磨損的影響

設計流量下顆粒體積分數(Cv)為11%，顆粒直徑d分別為0.06，0.08和0.10 mm時，葉輪中截面固相體積分數分布見圖3a;設計工況下，顆粒直徑(d)為0.06 mm，顆粒體積分數分別為7%，9%和11%時，葉輪中截面固相體積分數分布見圖3b。

圖3 葉輪中截面上固相體積分數分布Fig.3 Solid phase volume concentration distribution of middle section

從圖3a中可以看出，當顆粒直徑從0.06 mm增大到0.10 mm時，固體顆粒主要分布在葉輪工作面所在區域，說明顆粒直徑的變化對固相的離析作用有較大影響。當顆粒直徑較小時，固體顆粒有向葉輪背面逐漸靠近的運動趨勢;而顆粒直徑較大時，固體顆粒不斷向葉輪的工作面運動，因而造成葉輪工作面上的固相體積分數不斷增大，固體顆粒在葉輪工作面的積聚和增加，必將導致該區域發生切削磨損。

從圖3b中可以看出，在相同顆粒直徑下，葉輪內的固相體積分數呈現這樣的變化趨勢:在葉輪進口處，葉輪工作面的固相體積分數較高;從葉輪進口到出口，固相體積分數逐漸降低;在葉輪出口處達到最低。同時，葉輪工作面、背面的固相體積分數都隨著初始固相體積分數的增大而增大。顆粒直徑對這種變化趨勢沒有太大影響，但葉輪工作面、背面的固相體積分數在大粒徑工況下的升高速度明顯大于小粒徑工況下。

結合葉輪固相相對速度矢量圖可以發現，葉輪區域磨損主要出現在葉輪進口處、出口段。葉輪進口處破壞主要是由于顆粒的直接撞擊造成切削磨損，切削磨損導致葉輪的進口半徑增大，從而加大液流沖角，由此造成液流能量轉換能力相對下降。與實驗結果對比，實驗中葉輪出口邊緣被磨成鋸齒狀，計算結果與實驗結果相符。

3.2 固體顆粒對壓水室磨損的影響

設計流量下顆粒體積濃度為11%時，不同顆粒直徑下壓水室中截面固相體積分數分布見圖4。從圖4中可以看出，壓水室內的固相濃度是從壓水室的進口開始，隨著半徑的增大而逐漸增大，在壓水室最大半徑處達到最大值。同時，壓水室內的固相濃度分布分別隨固體顆粒直徑和初始固相濃度的增大而增大。在小粒徑、低濃度工況下，由于離心力較小，壓水室內的固相濃度分布相對均勻，影響相對較小;在大粒徑、高濃度工況下，由于漿液從葉片流道中流出進入壓水室后，固相速度高于液相速度，固體顆粒在離心力的作用下與液相在該區域發生嚴重分離現象，顆粒直徑越大，其離心力也越大，致使壓水室中固相濃度分布不均勻，大部分固體顆粒呈現向壓水室壁面偏移的趨勢，在壓水室近壁區形成高濃度區域;該區域同時還存在較大的速度梯度且離壁面越近速度越小，由此導致一部分固體顆粒沉積在壓水室壁面上。

圖4 壓水室中截面上固相體積分數分布Fig.4 Solid phase volume concentration distribution in middle section of pumping chamber

4 結論

(1)顆粒直徑對固相的離析作用有較大影響，隨著顆粒直徑的不斷增大，固體顆粒呈現向葉輪工作面偏移的趨勢，由此造成葉輪工作面的切削磨損;固相體積濃度的增加對顆粒在葉輪流道內的分布略有影響;葉輪的磨損主要發生在葉輪進口處和葉輪的出口段。

(2)壓水室內的固相體積濃度分布隨著固體顆粒直徑和初始固相濃度的增大而增大，固體顆粒在離心力的作用下與液相在壓水室發生分離現象，造成壓水室內的固相濃度分布不均勻，壓水室壁面附近的速度梯度比較大，造成壁面磨損。

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