煤礦井下排水系統(tǒng)離心泵葉輪口環(huán)間隙的優(yōu)化研究

張 志

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

離心式水泵作為一種廣泛應(yīng)用的排水裝置，是目前最常用的井下排水設(shè)備，離心泵依靠高速旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的動能實(shí)現(xiàn)排水，因此對離心泵的工作效率和穩(wěn)定性要求較高[1]，離心泵葉輪口環(huán)間隙對離心泵工作時的容積效率影響較大，不同的葉輪口環(huán)間隙對離心泵的工作特性影響極大，多數(shù)科研工作者對離心泵性能的研究主要集中于對葉輪葉片結(jié)構(gòu)的改善，較少涉及間隙研究，因此本文對離心泵葉輪口環(huán)間隙對離心泵工作特性的影響進(jìn)行研究。

1 離心泵計算模型的建立

以常用的井下排水泵為分析對象，為確保該分析的準(zhǔn)確性，對其進(jìn)行三維建模時不僅包括離心泵，還包括了進(jìn)、出水管部分，如圖1、圖2所示。

圖1 葉輪口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 離心泵流體區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖

將三維模型導(dǎo)入到Fluent仿真分析軟件中并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離心泵的殼體及葉片為大曲率不規(guī)則的弧面結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用Tetra及Mixed結(jié)合的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格劃分，先對泵體的整個流道進(jìn)行劃分，然后對葉輪口環(huán)間隙的位置加以細(xì)化處理，確保在圓弧過渡位置具有相當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)格點(diǎn)，保證計算精度。綜合評估后采用了基于壓力的求解方程對該離心泵進(jìn)行分析，其求解時的數(shù)學(xué)模型可表示為[2]：

式中：Sφ為廣義源代碼；ρ為液體的密度；t為時間數(shù)值；φ為數(shù)學(xué)通用因變量；τφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)。

液體在離心泵內(nèi)流動時將做復(fù)雜的三維湍流流動，因此需要對液體的湍流流動進(jìn)行專門分析，以提高數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，利用RNGk-ε湍流模型作為對泵體內(nèi)的計算方案。在分析時利用離心泵工作時的耗散率和湍流動能為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對液壓流動時湍流流量的控制。仿真時離心泵仿真參數(shù)的設(shè)置根據(jù)離心泵的實(shí)際情況進(jìn)行，設(shè)置流量為55 m3/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2900 r/min，泵的揚(yáng)程為30m，離心泵的葉輪的最大直徑為167mm，進(jìn)口位置的直徑為70mm，葉輪的葉片數(shù)量設(shè)置為4片，葉輪口環(huán)的原始間隙設(shè)置為0.5mm，口環(huán)位置間隙的長設(shè)置為16mm。

2 不同口環(huán)間隙對離心泵效率的影響

離心泵在進(jìn)行工作時會在口環(huán)位置的連接處產(chǎn)生一定流體的泄露，造成離心泵工作效率的降低，影響井下排水工作，為了對不同口環(huán)間隙對離心泵排水效率的影響程度進(jìn)行精確分析，將離心泵樣機(jī)工作時所測得的理論值和不同口環(huán)間隙下得出的離心泵的工作效率進(jìn)行對比，對口環(huán)間隙對離心泵工作效率的影響程度進(jìn)行評估，離心泵樣機(jī)的口環(huán)間隙為0.5mm，為了對比分析，本文分別選擇了口環(huán)間隙為0.2mm、0.5mm和0.8mm情況下對離心泵的工作效率進(jìn)行分析，離心泵工作時的效率η計算公式可表示為[3]：

式中：Q為流體在葉輪內(nèi)的水流量；ω為葉輪轉(zhuǎn)速；pin為離心泵進(jìn)口處的壓力；pout為離心泵出口處的壓力；M為離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)時的輸出扭矩。

離心泵工作時效率的測試值和理論值的分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，離心泵的效率與葉輪口環(huán)的間隙密切相關(guān)，當(dāng)口環(huán)間隙為0.2mm時其效率約為76%，此時實(shí)測效率低于理論計算效率，當(dāng)葉輪口環(huán)的間隙為0.8mm時其效率約為69%，此時的實(shí)測效率略微高于理論計算的效率，當(dāng)葉輪的口環(huán)間隙為0.5mm時，其效率的理論值和模擬值重合度較好。

圖3 不同口環(huán)間隙下離心泵的效率變化曲線

3 不同口環(huán)間隙下離心泵的壓力變化分析

利用Fluent仿真分析軟件對不同口環(huán)間隙情況下離心泵工作時的壓力變化情況進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同口環(huán)間隙下離心泵的壓力（Pa）云圖

圖5 不同口環(huán)間隙下離心泵的壓力變化曲線

由圖4可知，離心泵口環(huán)間隙的變化對泵進(jìn)口和出口位置的壓力分布影響顯著，葉輪口環(huán)間隙越大，離心泵在工作時后腔高壓區(qū)的范圍不斷減小，前腔低壓區(qū)的范圍不斷向著蝸殼蝸室的上側(cè)移動，因在蝸殼內(nèi)部沿流體流動方向上的尺寸遠(yuǎn)大于垂直于運(yùn)動方向上的尺寸，因此隨著口環(huán)間隙的變化其在沿流體流動方向上的壓力變化較為顯著，口環(huán)間隙越小氣壓力變化的幅度越大。

由圖5可知，離心泵前腔的壓力逐漸降低，且口環(huán)間隙越大其下降的幅度越大，通過對比當(dāng)口環(huán)間隙為0.2mm時其流體流動時的靜壓要遠(yuǎn)高于0.5mm、0.8mm口環(huán)間隙情況下的液體壓力，離心泵前腔壓力的變化會直接導(dǎo)致流體流動時的徑流情況發(fā)生變化，流體靜壓越高，液體在泵體內(nèi)流動時的液阻越大，在流動過程中的流體的泄漏量就越大。

4 不同口環(huán)間隙情況下離心泵的速度變化分析

為了對不同口環(huán)間隙情況下離心泵速度場的變化情況進(jìn)行分析，引入了葉輪口環(huán)處液體的流速計算公式及壓差下流動的阻力系數(shù)的數(shù)學(xué)公式[4]。

式中：Δp為液體在葉輪口環(huán)位置進(jìn)、出口位置的壓差；l為液體流動的距離；b為口環(huán)間隙寬度；v為口環(huán)間隙處液體的平均速度；λ為壓差流動情況下的阻力系數(shù)；μ為液體的動力黏度。

流體在葉輪內(nèi)部流動時在內(nèi)部環(huán)型內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生剪切力，使流體發(fā)生了變形，在流體的內(nèi)部會產(chǎn)生一個向外的擠壓力，因此流體的流動會同時表現(xiàn)出一個沿周向的流動和垂直于徑向的壓力流動，由式（3）、式（4）可知，流體在流動時口環(huán)間隙對速度影響極大，口環(huán)間隙越小氣流動時平均流速越小，阻力系數(shù)顯著增加，由圖6所示的不同口環(huán)間隙下流體的速度分布可知，口環(huán)間隙越大其流速越大，但泄露量會增加。

圖6 不同口環(huán)間隙下離心泵的速度場

5 結(jié)論

針對不同口環(huán)間隙對離心泵工作特性的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，葉輪口環(huán)間隙能顯著影響流體在離心泵內(nèi)的流動狀態(tài)，當(dāng)口環(huán)間隙為0.5mm時能夠確保液體在流動時的壓力、震動和泄漏量的平衡。