基于數值模擬的離心式渣漿泵的葉輪設計研究

顧慶東

摘?要：渣漿泵廣泛應用于水利、冶金、煤炭等工業企業中，渣漿泵的工作原理基本同離心泵一樣，是通過離心力作用來達到給輸送介質增壓的過程，由于渣漿泵結構較為復雜，如何準確獲得其水力性能，對渣漿泵的使用具有重要作用。本文根據設計參數完成了主要結構及葉輪的設計，利用ICEM進行網格劃分，通過CFX軟件進行數值模擬，觀察分析壓力和速度云圖，并檢驗選用介質為清水狀況下的揚程，獲得了渣漿泵的水力性能。

關鍵詞：渣漿泵;數值模擬;葉輪設計;CFX

Abstract：Slurry?pump?is?widely?used?in?industrial?enterprises?such?as?water?conservancy，metallurgy?and?coal.The?working?principle?of?slurry?pump?is?basically?the?same?as?that?of?centrifugal?pump.It?is?the?process?of?pressurizing?the?conveying?medium?by?centrifugal?force.How?to?accurately?obtain?its?hydraulic?performance，plays?an?important?role?in?the?use?of?slurry?pumps.In?this?article，the?main?structure?and?impeller?design?are?completed?according?to?the?design?parameters.The?ICEM?is?used?for?mesh?division.The?numerical?simulation?is?carried?out?by?CFX?software.The?pressure?and?velocity?cloud?maps?are?observed?and?analyzed，and?the?selected?medium?is?used?as?the?head?under?clear?water?conditions.The?slurry?pump?is?obtained.

Key?words：slurry?pump;numerical?simulation;impeller?design;CFX

1?概述

渣漿泵具有可變量輸送、自吸能力強、可逆轉以及能輸送含固體顆粒的液體等特點，在現代工業中廣泛應用于水利、冶金、煤炭等工業企業當中。特別是當運輸物料腐蝕性強、含堅硬固體顆粒時，渣漿泵尤其適用。因此在冶金選礦廠礦漿輸送，火電廠水力除灰、洗煤廠煤漿及重介輸送以及化工產業輸送含有結晶的腐蝕性漿體時，大都要采用渣漿泵[1-2]。

渣漿泵包括多種類型：從葉輪數目劃可分為單級渣漿泵和多級渣漿泵;從泵軸與水平面位置可分為臥式渣漿泵和立式渣漿泵;從吸入進水的方式可分為單吸渣漿泵和雙吸渣漿泵;從泵殼的結構方式可分為單殼渣漿泵和雙殼渣漿泵。渣漿泵的工作原理基本同離心泵一樣，是通過離心力作用來達到給輸送介質增壓的過程。當電動機快速運行時，通過泵軸帶動葉輪高速旋轉，打開入料閥，物料進入葉輪，葉輪中的葉片迫使物料旋轉，在離心力的作用下，物料從葉輪中心流向葉輪邊緣，沿著葉片的運動方向高速地流出葉輪，經出料管排出。由于入料位高度高于入料管高度，在大氣壓的作用下，物料持物料持續不斷地進入葉輪，通過葉輪的高速旋轉，將物料連續排出，形成周期性的工作[3]。由于渣漿泵結構較為復雜，如何準確獲得其水力性能，對渣漿泵的使用具有重要作用。

2?葉輪的水力尺寸設計

葉輪是渣漿泵的重要組成元件，在泵的運轉過程中起著關鍵作用。葉輪結構包括葉片和蓋板，本設計的葉輪是由一組扭曲葉片和兩個個蓋板以及背葉片構成。水泵葉輪上的葉片又起主要作用，水泵葉輪的形狀和尺寸與水泵性能有密切關系。葉輪水力設計的好壞，對于泵的揚程、流量、效率和特性曲線的幾何形狀等都有一定的影響。葉輪造型曲線的光滑性越好，泵的水力性能和可靠性也越好。因此，在葉輪造型過程中要著重考慮葉片的光順度。

渣漿泵的葉輪的主要幾何尺寸有：葉輪進口直徑D0=130mm、葉片進口直徑D1=100mm、葉輪出口直徑D2=390mm、葉片進口寬度b1=30mm、葉片進口角β1=25?o、葉輪出口寬度b2=22mm、葉片出口角β2=20o、葉片數z=50、葉片包角φ=144o等。如圖1所示。

3?葉輪的建模及數值計算

已有較多的國內外學者利用數值模擬的方法對渣漿泵進行分析優化[4]，本文中葉輪建模的主要步驟如下：

（1）由于葉輪前后蓋板形狀較為簡單，可直接根據設計的尺寸繪制草圖并進行凸臺拉伸，拉伸的厚度根據之前的計算結果確定;

（2）在葉輪進口處進行圓角處理，可有效減少水流阻力，圓角半徑由計算得出;

（3）根據葉輪計算部分確定的型線，繪制在平面草圖上后，可根據不同的角度對應不同的半徑，使用軟件中的樣條曲線繪制，并利用投影曲線進行反轉投影，形成葉片工作面和前蓋板交線附著在上蓋板內表面上，同理，葉片工作面和后蓋板交線附著在后蓋板內表面上;

（4）在兩條曲線之間的入口處，中間段，出口處繪制葉片截面，截面形狀為矩形，葉片厚度采取中間厚，進出口偏薄的原則;

（5）利用放樣命令，以前后蓋板上的曲線為引導線，選取步驟四中三個截面為約束，進行放樣拉伸，再進行陣列，形成一組扭曲的葉片;

（6）背葉片根據設計尺寸進行簡單的拉伸，切除，陣列等。注意，前后蓋板各需要一組。最后，按照要求對各部位倒圓角。

最終葉輪建模結果如圖2所示：

（a）軸測（b）正面

（c）剖面

圖2?葉輪三維圖

葉輪建模完成后，需要提取液體流域進行模擬分析[5]，主要依靠組合刪減的命令，提取出的流域如圖3所示：

圖3?葉輪流域

通過CFX數值揚程可知，選用清水作為介質時渣漿泵的揚程約可以達到43m，進出口的能量差為14620w。

圖4?速度分布圖圖5?流線圖

對于流域速度分布分析可知，流體在葉輪內的速度分布呈現一定的規律性，從葉片進口至葉片出口速度逐步增加，從圖4和圖5中可以看出，葉片的工作面上的速度明顯比葉片背面的速度大。蝸殼中的速度不大，因為流體流入蝸殼后，動能轉化為流體的壓能，速度逐漸減小，隔舌處出現低速區。從整體上來看，整個流道的速度分布和理論分析相符[6]。

圖6?靜壓分布圖圖7?總壓分布圖

對于壓力分布進行初步分析如圖6和圖7所示。可看出，在葉片的進口附近會形成低壓區，當液體的壓力低于液體的飽和蒸汽壓時，在該區域很容易出現汽蝕現象，本設計低壓區面積較小，壓力不是很低，避免汽蝕現象的發生。沿葉片流線方向，葉輪對流體做功，流速增加，葉輪流道的靜壓增加。蝸殼內的總壓分布整體較為平穩，圍繞葉輪出現明顯的壓力梯度，泵的總壓在葉片進口處較小，在葉輪出口處達到最大值。靜壓沿著蝸殼逐漸增加，動壓沿著蝸殼逐漸減小，符合流體運動規律。

4?結論

通過查閱各類文獻的基礎上，根據設計參數完成了主要結構的設計，包括葉輪，壓水室的水力設計，利用三維軟件對葉輪，渦室進行建模，提取流域;最后，利用ICEM進行網格劃分，通過CFX軟件進行數值模擬，觀察分析壓力和速度云圖，并檢驗選用介質為清水狀況下的揚程，通過數值模擬可以很好地獲得渣漿泵的水力性能，為其進一步優化奠定了基礎。

參考文獻：

[1]沈宗沼.國內液固兩相流泵的設計研究綜述[J].流體機械，2006（03）：32-38.

[2]韋章兵，溫雪峰，周長春.渣漿泵的研究及發展方向[J].排灌機械，1998（04）：3-6.

[3]許洪元.離心式渣漿泵的設計理論研究與應用[J].水力發電學報，1998（01）：9.

[4]Shahram?D，Maryam?P，Ehsan?A，Amin?R，Ashkan?O.Numerical?shape?optimization?of?a?centrifugal?pump?impeller?using?artificial?bee?colony?algorithm[J].Computers?and?Fluids.2013，81（20）：141-151.

[5]陳倩，章本照，崔良成.離心風機三元流場的準正交面法計算[J].杭州應用工程技術學院學報，2000（S1）：21-23.

[6]李仁年，徐振法，韓偉，蘇吉鑫，王浩.渣漿泵內部流場數值模擬與磨損特性分析[J].排灌機械，2007（02）：5-8.