離心式煤泥水輸送泵結(jié)構(gòu)設(shè)計與流場分析

張慶國，郝雪弟，曹瑞乾，王樹陽，文如森，程 新

(1.開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

煤礦井下水倉是保障煤礦安全生產(chǎn)、防止礦井水災(zāi)的重要設(shè)施之一。在煤礦生產(chǎn)中，礦井開采面不斷擴大，井下的涌水量也越來越大，排水泵無法及時地將涌水排向地面，導(dǎo)致水倉中積存大量涌水，積水在長時間靜置后，其中的固體物會逐漸沉積，使得水倉有效容積減小，進而對煤礦的安全生產(chǎn)造成嚴重威脅，因此煤礦水倉的清淤作業(yè)至關(guān)重要。

井下水倉的清淤作業(yè)主要是通過人工清挖的方式來完成的，這種清淤方式工作效率低，清理時間長，在礦車運送過程中容易灑濺造成巷道污染，而且工人的勞動強度高，影響煤礦的安全生產(chǎn)。

近年來出現(xiàn)了許多水倉清淤新方式的研究和應(yīng)用，例如機械清挖法、泵送清理法等，但是這些方法在解決一些問題的同時也會存在著不足，如無法完全滿足水倉清淤時高效、低勞動強度、工作安全、無污染環(huán)境、設(shè)備管理簡單等要求。鞏長勇[1]設(shè)計的SQ10型水倉清挖輸送機作業(yè)時收集的煤泥可以通過礦車或者管道輸送，不僅具有不粘煤泥、不泄漏、不堵塞和防水性好的優(yōu)點，還具有較強的爬坡能力和路面適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同淤積深度的清挖作業(yè)，而且滿足防爆要求。劉仁祥[2]設(shè)計的MQC-15水倉清挖系統(tǒng)其工作流程是水倉清挖機通過螺旋機構(gòu)將淤積的煤泥攪拌成煤泥水并送至清挖機底部泵送系統(tǒng)的吸料口，接著利用活塞泵將煤泥水抽吸至緩沖攪拌設(shè)備內(nèi)，然后再利用活塞泵將攪拌均勻的煤泥水送入壓濾設(shè)備，在高壓下去除大部分的水分并將其排入水倉，最后便可以得到含水極低的煤泥餅，將其裝入礦車運出。

靳永剛[3]提出采用壓氣排泥罐清挖水倉，其工作方法是先將煤泥引入排泥罐，然后到封閉罐，輸入壓縮空氣，通過空氣的壓力將煤泥送入排泥倉，然后再利用泵送等方式排出。宗艷民[4]提出利用泵清理煤泥的方式。一種是通過負壓將煤泥吸入泵內(nèi)，通過活塞加壓再將煤泥輸送出去，這種方式具有周期性，易產(chǎn)生返流；另一種是采用泥漿泵、渣漿泵等離心泵組成清淤系統(tǒng)，進行稀釋抽吸—攪拌過濾—壓濾成餅—裝車輸運。這種方式清淤效率較高，工作流程簡單可靠。但是由于輸送煤泥不同于輸送普通的渣漿，所以渣漿泵的性能不能很好的體現(xiàn)。

本文針對煤礦水倉清淤中的煤泥水清理和輸送問題，以新型潛水渣漿泵為參考設(shè)計出一種用于清理煤泥水的離心式輸送泵原理樣機，運用流體分析軟件完成樣機流場特征分析，從而為實際設(shè)計提供理論參考。

1 煤泥水輸送泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研究的離心式煤泥水輸送泵在結(jié)構(gòu)上參考了鼓德溫公司生產(chǎn)的新型潛水渣漿泵進行設(shè)計，設(shè)計目標是使該泵具有壽命長、揚程大、工作范圍廣泛，并能適應(yīng)濃密渣漿輸送的工況[5]。電機內(nèi)嵌在蝸殼中，使得該泵可以滿足全潛和半潛兩種工作狀態(tài)，采用結(jié)構(gòu)對稱來保證工作時的平衡，避免因此出現(xiàn)部件失效[6-10]。

葉輪是離心泵中最重要的過流部件之一，承擔(dān)著給流體提供能量的任務(wù)。由于葉輪轉(zhuǎn)速太高會大大加速葉輪的磨損[11]，因此在輸送雜質(zhì)流體時常選擇低比轉(zhuǎn)速，但是此時泵的效率會較低。為提高泵送效率，設(shè)計上采用減小葉輪的外徑，同時適當(dāng)提高葉輪轉(zhuǎn)速，本文選擇葉輪外徑為400mm。離心泵葉片型線采用雙圓弧型?？紤]到離心泵葉片出口處流速較大，將葉片出口處厚度增大，來延長葉輪的使用壽命。為改善泵內(nèi)的流場分布適當(dāng)減小葉輪的出口寬度，并且可以少量提高泵的揚程[12]。葉輪的三維實體模型如圖1所示。

圖1 葉輪的3D模型

蝸殼是另外一個重要的過流部件，它將葉輪甩出的流體收集起來并輸送至離心泵的出口。在對蝸殼的設(shè)計中，考慮到加工的難易程度以及工作中方便零部件替換，將蝸殼分為上下兩個部分。下蝸殼內(nèi)流道曲線輪廓采用雙圓弧畫法進行設(shè)計：上蝸殼內(nèi)部是一個包裹著電機的管狀空腔，從下蝸殼流出的液體進入上蝸殼中，可以起到給電機降溫的作用，實現(xiàn)輸送泵可滿足半潛工作的目標。上蝸殼的對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高輸送泵整體的平衡性，在工作中減小泵的振動，進一步降低了泵送過程中的功耗損失，提高了工作效率。由于出口處液體的流速增大，磨損也會變大，所以上蝸殼與出口彎管分開制造，兩者通過法蘭連接[13，14]。下蝸殼、上蝸殼結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 下蝸殼的3D模型

圖3 上蝸殼的3D模型

將出口彎管、前蓋板、主軸、電機箱等零部件設(shè)計完成后進行組裝，得到輸送泵的三維實體模型如圖4所示。

圖4 輸送泵的3D模型

2 煤泥水輸送泵流場模型建立

2.1 輸送泵流場有限元模型建立

煤泥水輸送泵流場模型包括進口延伸段、葉片流道、背葉片流道、下蝸殼流道和上蝸殼流道五個部分，組合后如圖5所示。輸送泵流場模型采用ANSYS中Geometry創(chuàng)建，并利用ICEM進行網(wǎng)格劃分。由于輸送泵流道模型中有轉(zhuǎn)動部分，以及部分網(wǎng)格需要細分或簡單粗化，所以將上述五個部分依次進行網(wǎng)格劃分，然后再利用ICEM裝配到一起。所有網(wǎng)格均采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動生成方式。為了保證計算質(zhì)量，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為較小尺寸，劃分好的網(wǎng)格模型如圖6所示，單元總數(shù)為4406227個。

圖5 輸送泵內(nèi)部流道實體模型

圖6 輸送泵流道網(wǎng)格

2.2 求解器設(shè)置

選擇Fluent 3D求解器。為減少求解時間，選擇雙精度多核并行處理模式。在求解器設(shè)置中選擇Pressure-Based、Absolute、Steady選項，其余為默認值。選擇mm作為網(wǎng)格創(chuàng)建單位，轉(zhuǎn)速單位為rpm。選擇k-epsilon(2 eqn)，即k-ε兩方程模型。再選擇RNG模式，以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)流場的分析。

輸送泵輸送的介質(zhì)為煤泥水，即為水倉底部的淤積煤泥。水倉底部的煤泥淤積時間較長，濃度較大，為準確模擬該濃度附近的煤泥水特性，在實驗室配備了40.93%、43.26%、45.36%、47.14%、48.74%、49.72%六種濃度的煤泥水，測試了其密度和粘度，在Fluent材料數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建了該種介質(zhì)，用來完成后續(xù)的數(shù)值計算。

由于泵內(nèi)煤泥水在泵葉推動下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，因此流場計算要利用動網(wǎng)格技術(shù)，對旋轉(zhuǎn)的流體設(shè)置轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速數(shù)值。由于在網(wǎng)格劃分時將整個流道分為了五個部分，所以各部分之間存在交界面，當(dāng)導(dǎo)入Fluent運算時需要將互相配合的交接面一一對應(yīng)起來，因此需要在網(wǎng)格界面設(shè)置面板中將互相配合的交界面設(shè)為一體。

求解算法選擇SIMPLE算法，離散格式選為二階迎風(fēng)格式。對進出口的壓力殘差進行監(jiān)測，收斂指標設(shè)定為0.001。選擇速度入口，并輸入進口速度。設(shè)置完所有邊界條件和參數(shù)后，還需要進行初始化才能運算，選擇標準初始化方式。經(jīng)過初始化后，便可以進行Fluent仿真運算，當(dāng)檢測到迭代收斂或者達到設(shè)置步數(shù)后計算結(jié)束。

3 計算結(jié)果與分析

為分析流場內(nèi)部壓力和速度特征，對模型創(chuàng)建截面，在截面上顯示壓力場、速度場等參數(shù)，來進一步分析輸送泵流場的特征。

3.1 輸送泵壓力場分析

輸送泵流道內(nèi)的壓力分布反映了流體在泵內(nèi)的能量分布情況，可以直觀了解輸送泵的工作性能。葉輪流道內(nèi)的壓力分布如圖7所示。從圖7(a)可以看出，葉輪流道內(nèi)液體壓強隨著半徑的增大而增大，最低壓力在葉輪的進口處，最高壓力出現(xiàn)在葉輪葉片尖部，符合泵內(nèi)壓力理論分布特征。壓力在流道內(nèi)分布不均，不同流道處壓力分布差異較大，并且可以看出靠近葉輪出口處流道整體壓力逐漸增大；在相同半徑上葉輪工作面的壓力要比非工作面的壓力高。

圖7 葉輪流道的壓力場

在葉輪中心部位存在負壓區(qū)(圈出部位)，使得流體源源不斷地從進口處吸入葉輪，再被葉輪送至蝸殼及泵外，實現(xiàn)泵送過程。

流場軸向剖面壓力場如圖8所示。從圖7(b)、圖8中可以看出，輸送泵內(nèi)流體在進口面到葉輪內(nèi)壓強減小，從葉輪內(nèi)圈到蝸殼進口壓強在升高，從蝸殼到出口壓強又逐漸減小，這符合離心式輸送泵的工作原理。流量越小對該處的影響越大，隨著流量的增加該處的流動狀況會有好轉(zhuǎn)。

圖8 軸向剖面的壓力場

3.2 輸送泵流場分析

3.2.1 流速大小分析

泵流道剖面內(nèi)的速度分布如圖9所示。總體來看，葉輪內(nèi)的流動情況良好，無明顯分離情況；液體在葉輪進口處流動均勻時流速很低，沿著葉輪流道速度逐漸增加的趨勢一致；同時葉輪工作面的速度比非工作面的速度更大，輸送泵內(nèi)流體速度最大的位置在葉片工作面的中部(圖9(a)1處)，其次在葉輪流道的出口處(圖9(a)2處)，也即是葉片的尾端，所以這兩個位置應(yīng)該是葉輪磨損最為嚴重的部位，在設(shè)計和工藝處理時應(yīng)特別對待，以提高泵的壽命。輸送泵蝸殼內(nèi)，尤其是上蝸殼內(nèi)的流體速度較為緩慢，這有利于電機的散熱，但是在下蝸殼通向上蝸殼處，流體速度分布不均(圖9(a)3處)，結(jié)構(gòu)上仍需改進；輸送泵的出口流道中流速有所提高，對于出口彎管有一定的沖擊磨損(圖9(b)1處)，所以從壽命上考慮，彎管的壽命大大低于上蝸殼，所以將出口彎管和上蝸殼分開制造，可以避免局部損壞引起整體更換。

圖9 泵流道剖面的速度場

3.2.2 流動方向分析

輸送泵的運行中，流體會在一些部位形成漩渦，不僅損耗了能量，也會加速該部位的磨損，采用速度矢量圖來研究泵內(nèi)流體的運動情況。輸送泵在進口處的流體狀態(tài)如圖10所示，可以看出在圖中圈出的位置存在兩個漩渦，該位置恰是進口延伸段與葉輪流道的交界處，漩渦的形成應(yīng)該是流體從軸向速度運動至葉輪中時，突然獲得轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的，為了削弱這種漩渦，可以通過預(yù)先在流體進入葉輪前給流體提供一個旋轉(zhuǎn)速度，使得流體在進入葉輪時，狀態(tài)發(fā)生的變化不太劇烈。在實驗中，對于預(yù)先轉(zhuǎn)速這一因素的分析，選擇了600r/min、900r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min五組不同的預(yù)先轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速，所得各預(yù)先轉(zhuǎn)速下輸送泵的揚程變化見表1。根據(jù)實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)先轉(zhuǎn)速對泵送揚程效率的提高影響極大。這個預(yù)先轉(zhuǎn)速可以通過輸送泵下部的攪拌器施加，所以攪拌器的作用不僅包括攪勻煤泥水，還可以減小泵能量損失，提高泵的效率，減少泵零件的磨損。

圖10 進口處剖面速度矢量圖

表1 轉(zhuǎn)速對輸送泵揚程的影響

葉輪流道內(nèi)存在的漩渦(圖中圓圈處)如圖11所示，這一位置漩渦的存在與葉輪的進口直徑有關(guān)。在實驗中，將葉輪的進口直徑從160mm逐漸增大到200mm，所得各直徑下輸送泵的揚程大小見表2。經(jīng)實驗證實，當(dāng)葉輪的進口直徑減小時，葉輪流道內(nèi)的漩渦會逐漸減小，能量損耗降低，泵送揚程增加，驗證了仿真結(jié)果的準確性。所以在葉輪的設(shè)計時，應(yīng)盡量減小葉輪的進口直徑。

圖11 葉輪流道剖面速度矢量圖

表2 葉輪進口直徑對輸送泵揚程的影響

下蝸殼流道中存在的漩渦(圖中圓圈處)如圖11所示。該位置的漩渦生成原因較多，流體從水平方向的速度轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向的速度是一個原因，下蝸殼通道過長也是一個原因，此外葉輪的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)如也會影響這一位置漩渦的大小。

圖12 下蝸殼流道剖面速度矢量

3.3 輸送泵揚程計算

離心泵實際揚程的計算方程為：

式中，Pout為泵出口壓力，Pa；Pint為泵進口壓力，Pa；cout為泵出口速度，m/s；cint為泵進口速度，m/s；ρ為液體密度，kg/cm3；ΔH為進出口的垂直高度差，m。

通過Fluent計算進出口靜壓力值和進出口速度值，見表3。

表3 進出口的靜壓力值和速度值

將表中的數(shù)值以及煤泥水的密度代入式(1)，即可得到輸送泵的揚程。相關(guān)數(shù)值有ρ=1243kg/m3，ΔH=0.978m，求得揚程數(shù)值為51.5m。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計了一種面對惡劣工況的新型輸送泵原理樣機，出口流速為3.17m/s，揚程為51.5m，采用結(jié)構(gòu)對稱來避免部件失效，保證工作時的平衡，此種泵壽命長、揚程大、工作范圍廣泛，進出口的流速和壓力適中，適用于水倉清淤的工作。

2)對輸送泵壓力場分析表明：葉輪流道內(nèi)的液體壓強隨著半徑的增大而增大；在下蝸殼與葉輪交換流體部位，壓力分布相對于葉輪流道不均勻度更大而且具有突變性，這種壓力分布異常是由于葉輪流道內(nèi)的流體和蝸殼流道內(nèi)的流體在交界處相互作用所造成。

3)對輸送泵速度場分析表明：輸送泵內(nèi)流體速度最大的位置在葉片工作面中部和葉片尾端，是葉輪磨損最為嚴重的部位，在設(shè)計和工藝處理時應(yīng)重點針對。進口延伸段與葉輪流道的交界處有漩渦，是由于流體從軸向速度運動至葉輪中時突然獲得轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的，可通過預(yù)先在流體進入葉輪前給流體提供一個旋轉(zhuǎn)速度來削弱漩渦。葉輪流道內(nèi)存在漩渦，在葉輪的進口直徑減小時葉輪流道內(nèi)的漩渦會逐漸減小，使泵送揚程增加，所以在設(shè)計葉輪時，應(yīng)盡量減小葉輪的進口直徑。