矿井防爆泵的结构数值优化设计及实例研究

曹晓勇

（上社煤炭有限责任公司地测防治水部， 山西 阳泉 045000）

引言

防爆矿用潜水泵集成了泵和电机，使其紧密合为一个单元。具有重量轻，噪音低，安装方便，成本低且无需灌溉即可启动的优点，使该泵具有广泛的应用范围。叶轮和蜗壳是矿用潜水泵的主要部件。内部流动涡流场主要受喷流尾流的影响，在叶轮出口处与动态静态干扰叶轮叶片和蜗舌之间效应不均匀的内部流动均显示为不稳定的时间流动域，这增加了泵中的能量，降低了泵的效率。同时，造成流动噪音并且蜗壳的振动明显，泵的结构在极端情况下可能被破坏。因此，研究内部流场设计对于工程潜水泵蜗壳在设计和性能上的改进是非常有价值的，煤矿中气体含煤气或其他的爆炸物，防爆潜水泵用于排水，所以其安全性和可靠性非常重要。防爆潜水矿用泵内马达采用多出口蜗壳，其中的压力波动分析对于矿井泵合理设计具有重要意义。本文采用BQW50型潜水泵作为模型，泵蜗壳有三个出口。蜗壳与三个出口配合，叶轮和流体结构相互作用，导致压力动态应力下蜗壳的特性达到最优化。此外，蜗壳中不同位置的特征也相对不同。

1 结构设计

潜水矿用泵与内部电机矿井防爆潜水泵的典型结构如图1所示。从图中可见，液体首先通过底座的过滤器进入泵体，然后第一叶轮或多个叶轮加压，流入其中的径向扩散器液体流体速度减少、压力能量增加，最终流体从蜗壳流出并通过环形通道围绕电机到达出口法兰泵。

根据标准MT/T671—2005的规定，泵过滤器总数的有效面积应是作为泵吸入口的三倍大，同时过滤器的最大尺寸孔中的最小尺寸应小于75%的流动口径。在保证机械性能的前提下，基座的空隙率应该增加到过滤孔直径的极限，其中可以降低流体通过过滤器的孔流速，从而减少水力损失，提高液压效率。泵盖的高度应大于吸入口直径的1.5倍，这样可以使得流体通过其进入第一个叶轮损失较小。

图1 煤矿矿井防爆泵的结构示意图

参照泵的水力模型与设计叶轮和径向扩散器通过使用速度系数，由于矿井水泵的水力效率比普通泵低，设计矿用泵安全限度时应该要大一些。对于潜水泵比转速低，叶轮出口宽度要适当增加以满足叶轮可以输送含有大量杂质的污水的需求。

同时，为了使“水头曲线”下降，叶轮的出口导流片交错角度应该减少。使用导轮导叶防爆潜水泵，因为正向导流片和反向导流片是一个连续的整体，从入口形成一个小的分离流道正导流片到反向导流片的出口以及液体的入口每个流动的节点都不能混合。虽然这个过程流道导流片压力较大，但是整体体现的水力损失小。

蜗室可以改变液体的动能，从最后一个叶轮转换成压力能量，并且蜗壳的出口数量通常为3～6个，如下页2图所示。

在许多出口将增加液压，使得摩擦损失减少，出口过多可能会使径向尺寸减小全流量转轮过大。轴向宽度逐渐增大，应保持径向尺寸和轴向尺寸保持不变，扩散角度为6°～10°。当流体向上转动时，出口面积应增加，尽可能地降低动力能量，并增加压力能量。

图2 常见的蜗室构型示意图

2 矿井防爆泵的结构数值优化设计仿真及分析

叶轮和蜗壳中的液体流动基于雷诺平均N-S方程进行模拟，K-§模型，有限体积法和结构化网格。六面体结构化网格被选为水网格化叶轮和蜗壳，同时GGI拼接网格技术用于叶轮和蜗壳之间。对于给定负载下的强度分析，最为有效的方法是有限元方法。有限元方法首先需要确定刚度矩阵和每个单元的质量矩阵，然后重新连接每个单元与原来的结构，使之变成一个整体的有限元方程，使用动态平衡条件和边界条件包括结构质量矩阵、结构阻尼矩阵、结构刚度矩阵、离心式力载荷矢量、等效节点在结构表面上载荷向量、等效的节点初始结构力引起的载荷矢量、节点集中力量矢量等参数[1]。

通过Pro/E软件制作蜗壳的三维模型，并且该三维模型通过使用四面体网格进行网格划分。蜗壳的选择材料是QT600-3，其弹性模量为150 GPa，泊松比为0.3，密度为7 300 kg/m3，屈服强度为370 MPa。

通过计算可以看出，随着计算中阶的增加，蜗壳的振动频率逐渐增加，并且二阶频率接近三阶，而频率之间也有很大的差异。

通过使用差值法分析流固耦合，在设计流程中表面上的压力是通过稳定分析得到的，蜗壳通过螺栓连接，因此部件的组合表面作为固定侧处理。图3分别显示等效应力分布，这反映了最大压力大约为36.12 MPa并发生在连接处之间蜗壳舌板和叶轮盖板上，而从径向到轴向角落方向存在更大的压力，在图3中的环中标出。从图3还可以看出，最大位移（0.009 mm）与QT600-3的材料有关，出现在前面的前盖板上蜗舌[2-3]。

流体-固体相互作用通过网格的交互耦合计算，变形蜗壳的位移数据传递给流体，三维非定常湍流计算的区域在设计流量下制作，从而实现获得蜗壳中的压力波动预测，考虑流体-固体相互作用效应。在本文中时间步长取为0.000 6 s，叶轮转动每个时间步10°。四个监测点是设置在蜗壳中，该泵的转速为2 980 r/min，叶轮叶片数 Z=4，其轴频率 T=50 Hz，所以叶片频率f=ZT=4×50=200 Hz。

图3 矿井防爆泵的结构仿真优化结果

通过对压力系数进行FFT变换，每个监测点的压力变化谱在每个监控点均可获得，从计算中可以看出，因为蜗壳流道入口处的流动受到影响严重受到叶轮外流的影响，监测点P1处的幅度大于另一个监测点。当最大的频谱幅度发生时，所有监测点的频率约200 Hz，这说明了压力的基本频率蜗壳的波动由叶轮叶片频率决定的。第二频率在监测点P1是400 Hz，而在其他监测点是0[4]。

3 结论

1）本文基于BQW50型矿用泵设计的新型内置马达防爆潜水矿用泵，选用有三个出口的蜗壳。

2）通过对叶轮和流体-结构相互作用的分析，得到了蜗壳下的应力动态特性。从动态特性可看出：最大压力出现在蜗壳舌头和盖子之间的连接处，而最大应变出现在在蜗壳舌头前面的圆盘处。在考虑流体固体耦合作用机制的情况下，这个结论表明压力波动且叶轮压力与蜗壳内压力之间没有共鸣。