基于不同影响因素下的矿用水环真空泵性能优化研究

张 强

（山西潞安检测检验中心有限责任公司， 山西 长治 046200）

引言

水环真空泵在很多领域都有广泛应用，其中就包括煤矿领域[1]。在煤矿领域的应用主要是用来对瓦斯进行抽除，这对水环真空泵的吸气量提出了非常高的要求[2]。由于水环真空泵能够有效处理不同类型的气体，并且拥有等温压缩的优势，所以其在矿井中的作用是不可替代的[3]。最近几年来，随着我国煤矿领域的快速发展，对水环真空泵的需求量及其质量要求都有了显著提升。水环真空泵的运行功率非常高，但其能源有效利用率却相对较低。根据相关调查结果表明，水环真空泵的能源利用率大概只有40%～50%左右[4]。可以看出水环真空泵还有很大的能源利用率优化空间[5]。对水环真空泵结构以及运行参数进行优化是提升其能源利用率的重要措施和手段，但当前阶段相关方面的研究鲜有资料可查[6]。鉴于此，基于FLUENT软件对水环真空泵的运行过程进行仿真分析，详细研究了不同结构和运行参数对其性能的影响，并结合实际情况对结构和参数进行优化，以提升水环真空泵的运行性能。

1 水环真空泵运行过程仿真模型的建立

1.1 几何模型的建立

以2BEF型水环真空泵为例进行分析和研究，利用SolidWorks软件根据水环真空泵的真实结构尺寸建立几何三维模型。但考虑到水环真空泵模拟仿真过程中水和气体流动过程的复杂性，对模型进行了一定程度的简化，以达到计算过程难度降低的目的。但几何模型的简化不会对模拟仿真结果的规律产生显著影响。图1所示为建立的水环真空泵三维几何模型。

图1 水环真空泵三维几何模型

1.2 网格单元划分

将利用Solidworks软件建立的几何三维模型导入到FLUENT软件中进行网格单元划分。选用的是六面体网格单元，利用软件对其进行自动划分。建立的水环真空泵模型总体上可以划分成为两个区域，分别为动态区域和静态区域。静态区域主要包含筒体、进出口，这两部分的网格划分数量分别为236 326个和198 293个。动态区域主要就是叶轮，划分的网格数量为384 363个。完成网格单元划分工作以后，对网格进行检查没有发现问题，网格质量良好。

1.3 边界条件设置

水环真空泵模型边界条件复杂，需要在进气口部位设置一个大气压值，出口部位设置一个大气压值。另一方面，为了确保进口位置和出口位置没有水的流动，还需要将这两个区域的水边界条件设置为0。

1.4 叶轮旋转过程设置

水环真空泵在正常工作过程中，叶轮是需要不停的旋转的。在FLUENT软件中，总共有3种旋转方式可供选择，分别为滑移网格、动网格以及坐标轴旋转。本研究中在充分考虑模型实际情况的基础上，选择第1种旋转模式，即滑移网格。将整个叶轮所在区域全部定义成为旋转区域，旋转中心轴为叶轮的中心线。由于2BEF型水环真空泵工作时的转速通常为340 r/min，所以在模型中将叶轮区域的转动速度同样设置成340 r/min。

2 水环真空泵性能评价方式的确定

主要从水环真空泵的气量、轴功率以及等温压缩效率三个层面对其性能进行评价。下面分别对3个参量的计算评估方法进行简要概述。

2.1 气量的评估方法

由于在对水环真空泵进行有限元建模时，对其结构进行了一定程度的简化，导致无法直接获取水环真空泵的排气量，但可以通过间接的方法进行计算。对水环真空泵的工作原理进行细致分析，可以发现真空泵在正常工作时内部存在月牙形空间。在吸气阶段该空间逐渐变大，相反的，在排气阶段该空间逐渐变小。当水环内界面与轮毂存在相切关系时，认为此时所有空气都已排出。将最大月牙湾的空间体积减去此时的空间体积，可以估算得到排出的空气体积。基于该原理对水环真空泵的气量进行估算。

2.2 轴功率的评估方法

水环真空泵轴的转速及扭矩两者间的乘积就是轴的功率。水环真空泵轴的扭距可以直接基于软件进行提取，而轴的转速又是已知的，所以将两者进行相乘，就可以对轴的功率进行估算。

2.3 等温压缩效率的评估方法

根据相关理论计算公式可知，等温压缩功率主要与吸气量、吸气和排气压力因素有关系。气量可以用上文所述的方法计算获得，吸气压力和排气压力可以直接在仿真模型中直接提取，这样基于理论公式就可以计算得到等温压缩功率。等温压缩功率与轴的功率两者之间的比值就是等温压缩效率。

3 水环真空泵性能影响因素及其优化研究

3.1 叶轮转速对性能的影响及优化

叶轮转动速度是水环真空泵运行过程中的重要技术参数，对其工作性能有决定性的影响。在实际工作过程中允许叶轮转速在一定的范围内波动，以顺应不同的工况条件。为分析叶轮转动速度对水环真空泵性能的影响，将转动速度设置为300～380 r/min，每间隔20 r/min取值计算。如图2所示为不同叶轮转动速度条件下对应的水环真空泵性能参数变化曲线。

由图2数据可知，吸气量和轴功率随着叶轮转速的增加随之不断增加，等温压缩效率却随转速的增加而表现出降低的趋势。主要是由于转速增加后，水环真空泵的功率消耗以及等温压缩功率均在增加，但是前者的增加速度更快。根据等温压缩效率的定义不难理解，其会随着转速的增加而逐渐降低。煤矿领域在选用水环真空泵时抽气量以及能耗是两个重要的选型指标。基于上述分析可以看出，吸气量和功率消耗是两个相互矛盾的参数，吸气量的增加意味着功率消耗的增加。所以水环真空泵在实践应用时，在吸气量满足实际使用需要的前提下，应该尽可能控制叶轮转速。具体而言，可以通过变频调控技术对其速度进行有效控制。

图2 叶轮转速对水环真空泵性能的影响曲线

3.2 叶片形式对性能的影响及优化

水环真空泵的叶片形式主要有两种，分别为直形叶片和圆弧形叶片。基于这两种叶片形式建立仿真模型，进行对比研究分析。模拟仿真结果发现，两种叶片形式得到的水环边界基本相同，从该角度看不同叶片形式对水环真空泵的性能影响不大。进一步分析了不同叶片形式时其他性能数据，当叶轮转速全部为340 r/min时，直形叶片的气量、扭矩和轴功率分别为507 m3/min、25.52 N·m、8.6 kW，圆弧形叶片对应的数据分别为505 m3/min、22.06 N·m、7.5 kW。基于以上数据可以看出，两种叶片形式的吸气量相差不大，但是圆弧形叶片的扭矩和轴功率相对更小。因此认为圆弧形叶片能够取得更优的效果，在对水环真空泵进行设计计算时应该优先选用圆弧形叶片。

3.3 泵壳形状对性能的影响及优化

当前我国的各种泵壳主要为圆弧形，这种结构比较简单，加工便捷。但是实践经验表明，这种结构的泵壳效率相对低下。国外很多厂家生产加工制作的泵壳为椭圆形，效率相对较高。泵壳形状发生改变导致泵体内部水环边界也随之出现变化。理想情况下，水环真空泵在循环工作过程中，完成吸气阶段时，水环边界与叶轮外缘相切时效果最优。对比分析了圆弧形泵壳和椭圆形泵壳的性能效果。下页图3所示为圆弧形和椭圆形泵壳结构示意图。

仿真模拟结果发现，椭圆形泵壳在吸气阶段结束时，水环边界正好与叶轮外缘相切，在一定程度上增加了月牙形空间体积。另外，将圆弧形泵壳改进成为椭圆形泵壳后泵壳增大，使得吸气区域的很多叶片区域都可以将月牙形空间维持在较大的水平，保证了水环真空泵运行的稳定性和可靠性。经过计算发现，圆弧形泵壳的吸气量大约为505 m3/min，而椭圆形泵壳的吸气量大约为570 m3/min。由此可知，将圆弧形泵壳修改成椭圆形泵壳，使得水环真空泵的吸气量提升了12.87%左右。因此，在生产泵壳时，应该优先使用椭圆形泵壳，以提升吸气量。

图3 圆弧形和椭圆形泵壳结构示意图

4 结论

为分析不同因素对水环真空泵运行性能的影响，基于FLUENT软件建立了水环真空泵的仿真模型。基于仿真模型计算结果发现，叶轮的转动速度对水环真空泵的性能影响比较显著，转速增加虽能够增加吸气量但其功率消耗也随之显著增加。因此在满足实际使用需要的前提下，应该尽可能控制叶轮转速。直形叶片和圆弧形叶片吸气量基本相同，但圆弧形叶片其他性能数据更优，因此应该优先选用圆弧形叶片。椭圆形泵壳与圆弧形泵壳相比较而言性能更优，在实践中应该优先选用椭圆形泵壳以提升吸气量。