礦用防爆泵的結構數值優化設計

田世佼

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西陽泉 045000）

0 引言

當一個煤礦正在建造或服務時，地表水地下水可能會通過各種渠道流入煤礦，如裂縫，斷層和沉降區。如果礦山中的水多于正常的排水能力，可能會出現涌水現象[1]。此外，水噴出甚至大水壓爆炸會造成更大的傷亡，導致重大事故，甚至會引發地質災害等更為嚴重事故的發生。例如，在大興煤礦引發涌水事故，傷亡較大，此外，在山西省王家嶺煤礦還有一個嚴重的礦井涌水事故，造成153人被困在礦井底部[2]。

因此，有必要進行大型潛水泵的研制。防爆礦用潛水泵集成了泵和電機，使其緊密合為一個單元。具有重量輕、噪音低、安裝方便、成本低并且無需灌溉即可啟動的優點，該泵具有廣泛的應用范圍。葉輪和蝸殼是礦用潛水泵主要部件。內部流動渦流場主要受噴流尾流的影響，在葉輪出口處和動態靜態干擾葉輪葉片和蝸舌之間的效應不均勻的內部流動顯示為不穩定的時間流動域，這增加了泵中的能量損失，降低了泵的效率。同時，造成流動噪音并且蝸殼的振動明顯，甚至泵的結構可能在極端情況下被破壞。因此，研究內部流場設計對于工程潛水泵蝸殼在設計和性能上的改進是非常有價值的，煤礦中氣體含煤氣或其他爆炸物，防爆潛水泵用于排水，所以它的安全性和可靠性非常重要。防爆潛水礦用泵內馬達采用多出口蝸殼，其中的壓力波動分析對于礦井泵合理設計具有重要意義[3]。本文采用BQW50型潛水泵作為模型，泵有三個出口，蝸殼與三個出口配合，葉輪和流體結構相互作用分析，導致壓力動態應力下蝸殼的特性達到最優化。蝸殼中不同位置的特征也有相當不同，這為礦井泵的結構設計提供了參考。

1 結構設計

潛水礦用泵與內部電機礦井防爆潛水泵的典型結構如圖1。從圖中可見，液體首先通過底座的過濾器進入泵體，然后第一葉輪或多個葉輪加壓，流入其中的徑向擴散器液體流體速度減少、壓力能量增加，最終流體從蝸殼流出并通過環形通道圍繞電機，并到達出口法蘭泵[4-6]。

圖1 煤礦礦井防爆泵的結構示意圖

根據標準MT∕T 671-2005的規定，泵過濾器總的有效面積應是作為泵吸入口的三倍大，同時過濾器的最大尺寸孔的最小尺寸應小于75%流動的口徑。在保證機械性能的前提下，基座的空隙率應該增加過濾孔的直徑到極限，其中可以降低流體通過過濾器的孔流速，從而減少水力損失和提高液壓效率。泵蓋的高度應該大于吸入口直徑的1.5倍，這樣可以使得流體通過它進入第一個葉輪損失較小[7]。

參照泵的水力模型，設計葉輪和徑向擴散器，由于礦井水泵的水力效率比普通泵低，設計礦用泵安全限度應該時要大一些。潛水泵比轉速低，葉輪出口寬度要適當增加，以滿足葉輪可以輸送含有大量雜質的污水的需求。

同時，為了使“水頭曲線”下降，葉輪的出口導流片交錯角度應該減少。使用導輪導葉防爆潛水泵，因為正向導流片和反向導流片是一個連續的整體，從入口形成一個小的分離流道正導流片到反向導流片的出口以及液體的入口每個流動的節點都不能混合[8]。雖然這個過程流道導流片壓力較大，但是整體體現的水力損失小。

蝸室可以改變液體的動能，從最后一個葉輪轉換成壓力能量，并且蝸殼的出口數量通常為三至六個，如圖2所示。

在許多出口將增加液壓，來使得摩擦損失少，出口過多可能會使徑向尺寸減小全流量轉輪太大。一般地，軸向寬度逐漸增大，應保持徑向尺寸和軸向尺寸保持不變，擴散角度為6°至10°。當流體向上轉動時，出口面積應增加，盡可能地進一步降低動力能量，并增加壓力能量。

圖2 常見的蝸室構型示意圖

2 礦井防爆泵的結構數值優化設計仿真及分析

在本文中，葉輪和蝸殼中的液體流動基于雷諾平均N-S方程進行模擬，K-§模型，有限體積法和結構化網格。六面體結構化網格被選為水網格化葉輪和蝸殼，同時GGI拼接網格技術用于葉輪和蝸殼之間。對于給定負載下的強度分析，一個有效的方法是有限元方法。有限元方法首先需要確定剛度矩陣和每個單元的質量矩陣，然后重新連接每個單元與原來的結構變成一個整體的有限元方程，通過使用動態平衡條件和邊界條件，包括使用：結構質量矩陣；結構阻尼矩陣；結構剛度矩陣；離心式力載荷矢量；等效節點在結構表面上載荷向量；等效的節點初始結構力引起的載荷矢量；節點集中力量矢量等參數。

通過Pro∕E軟件制作蝸殼的三維模型，并且該三維模型通過使用四面體網格進行網格劃分。設置參數為：蝸殼的選擇材料是QT600-3，其彈性模量：E=150 GPa，泊松比例=0.3，密度=7300kg∕m3，屈服強度：370 MPa。

通過計算可以看出，隨著計算的增加階，蝸殼的振動頻率逐漸增加，并且二階頻率接近三階，而頻率之間有很大的差異。

通過使用差值法分析流固耦合，在設計流程中表面上的壓力是通過穩定分析得到的，蝸殼通過螺栓連接，因此部件的組合表面作為固定側處理。圖3分別顯示等效應力分布，這反映了最大的壓力是大約36.12 MPa，并發生在蝸殼舌板和葉輪蓋板連接處之間，而從徑向到軸向角落方向存在更大的壓力，這在圖3中的環中標出。從圖3還可以看出，最大位移與QT600-3的材料有關，為0.009 mm，出現在前面的前蓋板上蝸舌。

流體-固體相互作用通過網格的交互耦合計算，變形蝸殼的位移數據傳遞給流體，三維非定常湍流計算的區域在設計流量下制作，從而實現獲得蝸殼中的壓力波動預測，考慮流體-固體相互作用效應。在本文中時間步長取為0.0006 s，葉輪轉動每個時間步10°。四個監測點是設置在蝸殼中，該泵的轉速為2980 r∕min，葉輪葉片數Z=4，所以其軸頻率T=2980∕60=50，其葉片頻率f=ZT=4×50=200 Hz。

通過對壓力系數進行FFT變換每個監測點的壓力變化譜在每個監控點都獲得了，從計算中可以看出，因為蝸殼流道入口處的流動受到影響嚴重，受到葉輪外流的影響，監測點P1處的幅度大于另一個監測點。當最大的頻譜幅度發生時，所有監測點的頻率是約200 Hz，這說明了壓力的基本頻率蝸殼的波動由葉輪葉片頻率決定的。第二頻率的監測點P1是400 Hz，而其他監測點是0Hz。

3 結論

綜上所述，本文基于BQW50型礦用泵，設計了一種新型的內置馬達的防爆潛水礦用泵，并且選用有三個出口的蝸殼。通過葉輪和流體-結構相互作用分析，得到了蝸殼下的應力動態特性。這意味著最大壓力出現在蝸殼舌頭和蓋子之間的連接處，而最大應變出現在封面上在蝸殼舌頭前面的圓盤處。考慮到流體固體耦合作用機制，這表明壓力波動葉輪壓力與蝸殼內壓力之間沒有共鳴，本文對于礦井防爆泵的結構數值優化設計有重要理論和工程實用價值。