基于CF_Turbo的離心式渣漿泵葉輪設計

陶藝，白永明，吳迎春

（無錫工藝職業(yè)技術學院機電與信息工程學院，江蘇 無錫 212206）

0 引言

渣漿泵主要應用于輸送腐蝕性較強且含有固相顆粒的溶液，其主要適用于化工、礦山、冶金、石油等行業(yè)[1]。由于輸送介質(zhì)中含有的固相顆粒長期與過流部件發(fā)生碰撞，故渣漿泵常因零部件磨損而出現(xiàn)運行問題。影響渣漿泵使用壽命的兩個因素主要是設計及選型，其中設計因素對其影響更大[2]。傳統(tǒng)的渣漿泵設計方法主要有經(jīng)驗系數(shù)法、畸變速度設計法以及固液速度比設計法，這些設計方法根據(jù)固相顆粒的屬性對葉輪主要幾何參數(shù)的公式進行了一定的修正，使計算得到的幾何參數(shù)更符合渣漿泵的特點。但是這些設計方法并沒有給出更好的葉輪軸面流道設計方法，而軸面流道對渣漿泵葉輪的水力性能有重要的影響。孫艷梅[3]等給出了計算機編程所用的渣漿泵葉輪軸面流道數(shù)學模型。顧慶東[4-5]基于數(shù)值模擬對渣漿泵葉輪的設計進行了研究。然而，這些方法都具有較高的門檻，對設計者的理論水平及設計經(jīng)驗有較高的要求。

本文介紹了一種渣漿泵葉輪的設計方法，首先基于固液速度比設計法，計算出渣漿泵葉輪的主要幾何參數(shù)，然后將這些參數(shù)導入CF_Turbo軟件計算得到渣漿泵葉輪的軸面流道形狀，隨后將其導入Solidworks軟件中進行三維實體建模，以便之后的生產(chǎn)加工。

1 渣漿泵葉輪水力設計

1.1 水力設計目標參數(shù)

此次水力設計要求該泵的額定工作流量Q=50m3/h，轉(zhuǎn)速n為2900r/min，要求揚程H不低于32m，效率η不低于65%。泵輸送的介質(zhì)為固相體積分數(shù)CV為10%的固液混合物，固相顆粒的密度ρs為2300kg/m3，顆粒中值粒徑d50=1mm。渣漿泵葉輪主要幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 渣漿泵葉輪主要幾何參數(shù)

1.2 渣漿泵葉輪主要幾何參數(shù)的計算

首先計算葉輪進口直徑，可以采用經(jīng)驗系數(shù)法的公式，結(jié)合泵進口直徑取相應的值，綜合考慮后取為80mm。

隨后采用固液速度比設計法計算葉輪出口寬度b2，根據(jù)顆粒粒徑、密度及濃度的大小，本次設計取葉輪出口處的固液速度比Kv的值為1.6進行計算，首先計算出葉輪出口處的固液濃度比Kc，隨后再計算葉片出口寬度，最終取值18mm。

不同于清水泵，渣漿泵由于輸送的介質(zhì)中有固相顆粒，顆粒與葉輪葉片之間的撞擊和摩擦會造成葉片的磨損。故為了提高渣漿泵葉輪的使用壽命，其葉片比普通清水泵葉輪厚得多，葉片排擠效應比較嚴重。同時，為了彌補葉片加厚造成的流道過流面積的損失，一般需要取較大的葉片進口寬度，可以根據(jù)下式計算[6]，最終取值23mm。

葉輪出口直徑需要進行若干步的迭代計算，首先用經(jīng)驗系數(shù)法計算初值，隨后采用固液速度比設計法進行迭代計算，當兩次計算結(jié)果誤差小于3%時，取標準值，最終取值為165mm，具體計算過程如下。

2 渣漿泵葉輪軸面流道繪制

當計算出渣漿泵葉輪進出口直徑及葉片進出口寬度后，便可以在保證這四個參數(shù)的基礎上進行軸面流道的繪制。本文采用CF_Turbo軟件來設計軸面流道。在基本設置界面，勾選無蓋板，并設置葉頂間隙為2mm，葉片數(shù)根據(jù)實際情況設置為4。效率參數(shù)保持默認，結(jié)構參數(shù)根據(jù)公式計算得到的葉輪進出口直徑及葉片進出口寬度進行設置，輪轂直徑可以參照類似比轉(zhuǎn)速的葉輪進行設置（圖2）。

圖2 基本設置頁面

隨后進入軸面流道設計界面，可以分別設置前后蓋板的流線形狀類型，共有貝賽爾曲線、圓弧直線、直線以及多段線四種類型可供選擇。本次設計的渣漿泵為陶瓷泵，故為了便于生產(chǎn)加工，選擇了圓弧直線類型（圖3）。

圖3 葉輪前后蓋板軸面截線類型設置

葉輪軸面流道類型設置完成后，便可以拖動控制點來繪制出滿意的流道形狀。為了便于評估軸面流道形狀的優(yōu)劣，可以參考以下3個參數(shù)：（1）前后蓋板流線曲率半徑避免出現(xiàn)較大的波峰；（2）前后蓋板流線出口處的靜力矩盡量相等；（3）葉輪流道過流面積沿流道中線的變化均勻，避免出現(xiàn)波峰或波谷。最終，得到的軸面流道形狀如圖4所示。

圖4 軸面流道形狀優(yōu)劣評估

3 渣漿泵葉輪三維實體建模

隨著制造技術的發(fā)展，越來越多的加工單位需要提供產(chǎn)品的三維模型文件，方便加工中心制造加工，故得到渣漿泵葉輪主要結(jié)構幾何參數(shù)及軸面流道后，還需要對其進行三維實體建模。通過CF_Turbo繪制好渣漿泵葉輪軸面流道后，便可以將其輸出為igs文件，隨后導入Solidworks軟件中進行三維實體建模，只需要導出渣漿泵葉輪的軸面流道截線以及葉片進口邊截線，不用導出整個葉輪實體，如圖5所示。

圖5 CF_Turbo 中的軸面流道截線導入Solidworks

本次設計中，渣漿泵葉輪葉片壓力面型線采用變角螺旋線，根據(jù)經(jīng)驗系數(shù)法的公式計算出葉片進出口安放角，再根據(jù)邊角螺旋線公式確定好葉片包角，隨后計算出葉片型線上各點的極坐標，便可以使用樣條曲線繪制出葉片壓力面及吸力面型線，將四張葉片拉伸。隨后利用已導入的葉輪后蓋板軸面截線旋轉(zhuǎn)，繪制出葉輪輪轂。再利用導入的葉輪前蓋板軸面截線及葉片進口邊位置進行旋轉(zhuǎn)切除，最終得到渣漿泵葉輪的三維實體模型（圖6）。

圖6 渣漿泵葉輪的三維實體建模

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于CF_Turbo的渣漿泵葉輪設計方法，首先通過經(jīng)驗系數(shù)法和固液速度比設計法相結(jié)合的理論計算公式計算得到葉輪主要結(jié)構的幾何參數(shù)。隨后在CF_Turbo軟件中，通過輸入得到的幾何參數(shù)，并進行適當?shù)恼{(diào)整，繪制出葉輪的軸面流道截線。隨后，再將軸面流道截線及葉片進口邊截線導入Solidworks軟件中，進行三維實體建模。得到的三維實體文件可以供隨后的制造加工所用。該設計方法操作簡單，效率高，且此次設計的葉輪已投入生產(chǎn)使用，效率較之前的葉輪提高了5%。本文工作旨在為渣漿泵的設計提供一定的參考依據(jù)。