基于不同影響因素下的礦用水環(huán)真空泵性能優(yōu)化研究

張 強(qiáng)

（山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046200）

引言

水環(huán)真空泵在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，其中就包括煤礦領(lǐng)域[1]。在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用主要是用來(lái)對(duì)瓦斯進(jìn)行抽除，這對(duì)水環(huán)真空泵的吸氣量提出了非常高的要求[2]。由于水環(huán)真空泵能夠有效處理不同類型的氣體，并且擁有等溫壓縮的優(yōu)勢(shì)，所以其在礦井中的作用是不可替代的[3]。最近幾年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)水環(huán)真空泵的需求量及其質(zhì)量要求都有了顯著提升。水環(huán)真空泵的運(yùn)行功率非常高，但其能源有效利用率卻相對(duì)較低。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，水環(huán)真空泵的能源利用率大概只有40%～50%左右[4]。可以看出水環(huán)真空泵還有很大的能源利用率優(yōu)化空間[5]。對(duì)水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是提升其能源利用率的重要措施和手段，但當(dāng)前階段相關(guān)方面的研究鮮有資料可查[6]。鑒于此，基于FLUENT軟件對(duì)水環(huán)真空泵的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真分析，詳細(xì)研究了不同結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)其性能的影響，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提升水環(huán)真空泵的運(yùn)行性能。

1 水環(huán)真空泵運(yùn)行過(guò)程仿真模型的建立

1.1 幾何模型的建立

以2BEF型水環(huán)真空泵為例進(jìn)行分析和研究，利用SolidWorks軟件根據(jù)水環(huán)真空泵的真實(shí)結(jié)構(gòu)尺寸建立幾何三維模型。但考慮到水環(huán)真空泵模擬仿真過(guò)程中水和氣體流動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性，對(duì)模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，以達(dá)到計(jì)算過(guò)程難度降低的目的。但幾何模型的簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)模擬仿真結(jié)果的規(guī)律產(chǎn)生顯著影響。圖1所示為建立的水環(huán)真空泵三維幾何模型。

圖1 水環(huán)真空泵三維幾何模型

1.2 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/h3>

將利用Solidworks軟件建立的幾何三維模型導(dǎo)入到FLUENT軟件中進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧＿x用的是六面體網(wǎng)格單元，利用軟件對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)劃分。建立的水環(huán)真空泵模型總體上可以劃分成為兩個(gè)區(qū)域，分別為動(dòng)態(tài)區(qū)域和靜態(tài)區(qū)域。靜態(tài)區(qū)域主要包含筒體、進(jìn)出口，這兩部分的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量分別為236 326個(gè)和198 293個(gè)。動(dòng)態(tài)區(qū)域主要就是葉輪，劃分的網(wǎng)格數(shù)量為384 363個(gè)。完成網(wǎng)格單元?jiǎng)澐止ぷ饕院螅瑢?duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查沒有發(fā)現(xiàn)問題，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

1.3 邊界條件設(shè)置

水環(huán)真空泵模型邊界條件復(fù)雜，需要在進(jìn)氣口部位設(shè)置一個(gè)大氣壓值，出口部位設(shè)置一個(gè)大氣壓值。另一方面，為了確保進(jìn)口位置和出口位置沒有水的流動(dòng)，還需要將這兩個(gè)區(qū)域的水邊界條件設(shè)置為0。

1.4 葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程設(shè)置

水環(huán)真空泵在正常工作過(guò)程中，葉輪是需要不停的旋轉(zhuǎn)的。在FLUENT軟件中，總共有3種旋轉(zhuǎn)方式可供選擇，分別為滑移網(wǎng)格、動(dòng)網(wǎng)格以及坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。本研究中在充分考慮模型實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，選擇第1種旋轉(zhuǎn)模式，即滑移網(wǎng)格。將整個(gè)葉輪所在區(qū)域全部定義成為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)中心軸為葉輪的中心線。由于2BEF型水環(huán)真空泵工作時(shí)的轉(zhuǎn)速通常為340 r/min，所以在模型中將葉輪區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)速度同樣設(shè)置成340 r/min。

2 水環(huán)真空泵性能評(píng)價(jià)方式的確定

主要從水環(huán)真空泵的氣量、軸功率以及等溫壓縮效率三個(gè)層面對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。下面分別對(duì)3個(gè)參量的計(jì)算評(píng)估方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

2.1 氣量的評(píng)估方法

由于在對(duì)水環(huán)真空泵進(jìn)行有限元建模時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致無(wú)法直接獲取水環(huán)真空泵的排氣量，但可以通過(guò)間接的方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)水環(huán)真空泵的工作原理進(jìn)行細(xì)致分析，可以發(fā)現(xiàn)真空泵在正常工作時(shí)內(nèi)部存在月牙形空間。在吸氣階段該空間逐漸變大，相反的，在排氣階段該空間逐漸變小。當(dāng)水環(huán)內(nèi)界面與輪轂存在相切關(guān)系時(shí)，認(rèn)為此時(shí)所有空氣都已排出。將最大月牙灣的空間體積減去此時(shí)的空間體積，可以估算得到排出的空氣體積。基于該原理對(duì)水環(huán)真空泵的氣量進(jìn)行估算。

2.2 軸功率的評(píng)估方法

水環(huán)真空泵軸的轉(zhuǎn)速及扭矩兩者間的乘積就是軸的功率。水環(huán)真空泵軸的扭距可以直接基于軟件進(jìn)行提取，而軸的轉(zhuǎn)速又是已知的，所以將兩者進(jìn)行相乘，就可以對(duì)軸的功率進(jìn)行估算。

2.3 等溫壓縮效率的評(píng)估方法

根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算公式可知，等溫壓縮功率主要與吸氣量、吸氣和排氣壓力因素有關(guān)系。氣量可以用上文所述的方法計(jì)算獲得，吸氣壓力和排氣壓力可以直接在仿真模型中直接提取，這樣基于理論公式就可以計(jì)算得到等溫壓縮功率。等溫壓縮功率與軸的功率兩者之間的比值就是等溫壓縮效率。

3 水環(huán)真空泵性能影響因素及其優(yōu)化研究

3.1 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)性能的影響及優(yōu)化

葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度是水環(huán)真空泵運(yùn)行過(guò)程中的重要技術(shù)參數(shù)，對(duì)其工作性能有決定性的影響。在實(shí)際工作過(guò)程中允許葉輪轉(zhuǎn)速在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，以順應(yīng)不同的工況條件。為分析葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)水環(huán)真空泵性能的影響，將轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)置為300～380 r/min，每間隔20 r/min取值計(jì)算。如圖2所示為不同葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度條件下對(duì)應(yīng)的水環(huán)真空泵性能參數(shù)變化曲線。

由圖2數(shù)據(jù)可知，吸氣量和軸功率隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加隨之不斷增加，等溫壓縮效率卻隨轉(zhuǎn)速的增加而表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。主要是由于轉(zhuǎn)速增加后，水環(huán)真空泵的功率消耗以及等溫壓縮功率均在增加，但是前者的增加速度更快。根據(jù)等溫壓縮效率的定義不難理解，其會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸降低。煤礦領(lǐng)域在選用水環(huán)真空泵時(shí)抽氣量以及能耗是兩個(gè)重要的選型指標(biāo)。基于上述分析可以看出，吸氣量和功率消耗是兩個(gè)相互矛盾的參數(shù)，吸氣量的增加意味著功率消耗的增加。所以水環(huán)真空泵在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，在吸氣量滿足實(shí)際使用需要的前提下，應(yīng)該盡可能控制葉輪轉(zhuǎn)速。具體而言，可以通過(guò)變頻調(diào)控技術(shù)對(duì)其速度進(jìn)行有效控制。

圖2 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)水環(huán)真空泵性能的影響曲線

3.2 葉片形式對(duì)性能的影響及優(yōu)化

水環(huán)真空泵的葉片形式主要有兩種，分別為直形葉片和圓弧形葉片。基于這兩種葉片形式建立仿真模型，進(jìn)行對(duì)比研究分析。模擬仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種葉片形式得到的水環(huán)邊界基本相同，從該角度看不同葉片形式對(duì)水環(huán)真空泵的性能影響不大。進(jìn)一步分析了不同葉片形式時(shí)其他性能數(shù)據(jù)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速全部為340 r/min時(shí)，直形葉片的氣量、扭矩和軸功率分別為507 m3/min、25.52 N·m、8.6 kW，圓弧形葉片對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為505 m3/min、22.06 N·m、7.5 kW。基于以上數(shù)據(jù)可以看出，兩種葉片形式的吸氣量相差不大，但是圓弧形葉片的扭矩和軸功率相對(duì)更小。因此認(rèn)為圓弧形葉片能夠取得更優(yōu)的效果，在對(duì)水環(huán)真空泵進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)該優(yōu)先選用圓弧形葉片。

3.3 泵殼形狀對(duì)性能的影響及優(yōu)化

當(dāng)前我國(guó)的各種泵殼主要為圓弧形，這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加工便捷。但是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)的泵殼效率相對(duì)低下。國(guó)外很多廠家生產(chǎn)加工制作的泵殼為橢圓形，效率相對(duì)較高。泵殼形狀發(fā)生改變導(dǎo)致泵體內(nèi)部水環(huán)邊界也隨之出現(xiàn)變化。理想情況下，水環(huán)真空泵在循環(huán)工作過(guò)程中，完成吸氣階段時(shí)，水環(huán)邊界與葉輪外緣相切時(shí)效果最優(yōu)。對(duì)比分析了圓弧形泵殼和橢圓形泵殼的性能效果。下頁(yè)圖3所示為圓弧形和橢圓形泵殼結(jié)構(gòu)示意圖。

仿真模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橢圓形泵殼在吸氣階段結(jié)束時(shí)，水環(huán)邊界正好與葉輪外緣相切，在一定程度上增加了月牙形空間體積。另外，將圓弧形泵殼改進(jìn)成為橢圓形泵殼后泵殼增大，使得吸氣區(qū)域的很多葉片區(qū)域都可以將月牙形空間維持在較大的水平，保證了水環(huán)真空泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，圓弧形泵殼的吸氣量大約為505 m3/min，而橢圓形泵殼的吸氣量大約為570 m3/min。由此可知，將圓弧形泵殼修改成橢圓形泵殼，使得水環(huán)真空泵的吸氣量提升了12.87%左右。因此，在生產(chǎn)泵殼時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先使用橢圓形泵殼，以提升吸氣量。

圖3 圓弧形和橢圓形泵殼結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

為分析不同因素對(duì)水環(huán)真空泵運(yùn)行性能的影響，基于FLUENT軟件建立了水環(huán)真空泵的仿真模型。基于仿真模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)水環(huán)真空泵的性能影響比較顯著，轉(zhuǎn)速增加雖能夠增加吸氣量但其功率消耗也隨之顯著增加。因此在滿足實(shí)際使用需要的前提下，應(yīng)該盡可能控制葉輪轉(zhuǎn)速。直形葉片和圓弧形葉片吸氣量基本相同，但圓弧形葉片其他性能數(shù)據(jù)更優(yōu)，因此應(yīng)該優(yōu)先選用圓弧形葉片。橢圓形泵殼與圓弧形泵殼相比較而言性能更優(yōu)，在實(shí)踐中應(yīng)該優(yōu)先選用橢圓形泵殼以提升吸氣量。