渣浆泵不同叶片型线结构对叶轮磨损的影响分析

2022-07-07穆经纬

机械管理开发 2022年5期

穆经纬

（晋能控股煤业集团大地选煤工程有限责任公司永定庄选煤厂，山西大同 037003）

引言

我国的采煤制煤量巨大，在煤炭的洗选过程中，离心泵是必不可少的洗选设备。在不同形式的离心泵中，渣浆泵由于良好的通过性及耐磨性在煤炭的洗选过程中被广泛应用。在进行煤炭洗选的过程中，由于煤液含有大量的悬浮颗粒及硬质固体颗粒等，在使用中对渣浆泵造成一定的磨损，影响洗选使用的效率，降低设备使用的稳定性。在渣浆泵进行洗选的过程中，叶轮部件作为主要的过流部件，其性能对渣浆泵的使用具有重要的影响，磨损过大时，会降低使用的效率[1-2]，并造成能耗及运行成本的上升。

1 不同叶片型线结构的设计

渣浆泵对含有悬浮颗粒或者密度较高的两相流体进行输送，以某煤矿使用的渣浆泵为例进行叶片型线结构的设计。渣浆泵的叶轮进口直径为120 mm，出口直径为350 mm，轮毂直径为35 mm，叶片数量为5个，所使用的叶片为圆柱形，主要的型线形式有对数螺线、渐伸线及圆弧线三种。在渣浆泵叶轮内部的煤液的流动轨迹为对数螺线[3]，采用对数螺线的形式对叶片型线进行设计。

依据叶片的结构形式，不同的对数螺线对应不同的叶片包角，依据选定的渣浆泵叶片的进出口半径，通过螺线对数的计算[4]，可得到叶片的包角范围为87°～122°，选择叶片包角分别为90°、100°、110°及120°四种，设计过程中保持其他的参数如叶片进出口角、进出口半径、叶片厚度等不变，可得到四种不同的叶片型线如图1 所示。依据四种不同的叶片型线结构，可得到不同的叶轮形式。

图1 不同包角的叶片型线结构

2 不同叶片型线结构对叶轮磨损的影响分析

2.1 不同叶片型线结构模型的建立

采用计算流体力学对叶片产生的磨损进行分析，通过Fluent 软件进行流动的模拟仿真。依据叶轮的结构形式，建立四种不同叶片结构的叶轮，采用四面体非结构化网格进行模型网格划分，为提高计算结果的准确性，对叶轮区域的网格进行加密处理，并对划分后的网格进行网格无关性检查，得到叶轮的网格模型如图2 所示。

图2 叶轮的网格划分模型

湍流模型可分为直接和非直接两种形式，非直接的湍流模型将各参数简化后可得到近似的湍流方程，选用非直接的湍流模型，并进行改进，可达到适用于渣浆泵大区域及高应变的RNG 模型，适用于对渣浆泵进行内部流动模拟。采用改模型进行仿真分析，假定固体颗粒是离散分布，液体是连续的流体介质，两者之间有明显的速度差，温度差别不大，并都可以进行检测得到，两者之间的作用力是等效的。

对叶轮的磨损性能进行分析，采用小功角和充蚀率的模型进行分析，从而可以对叶轮的磨损进行定量分析。模拟过程中压力及速度的耦合作用采用simple算法进行耦合计算，可进行高效的计算。渣浆泵出口处流体介质的速度及压力不可控制，选取自由出流的边界条件进行模拟，工作过程中，内部产生的热量较小，采用标准的壁面函数设定为无滑移和绝热的方式，壁面的粗糙度为50μm。计算过程中的残差值设定为10-5作为收敛标准，可保证计算结果的准确性及计算的效率，由此对不同的叶片结构造成的磨损进行分析。

2.2 不同叶片型线结构对叶轮的磨损分析

依据进行洗选的煤液的状态，设定介质的固相浓度为7%，对四种不同包角的叶片型线结构的叶轮内部流场进行分析，得到不同叶片型线结构对叶轮的磨损特性的影响，如图3 所示。从图3 中可以看出，相对原有的渣浆泵扭曲叶片，采用圆柱形的叶片对叶轮各部位的磨损强度有一定的增加，降低了叶轮整体的抗磨损特性；在叶轮不同的结构组成中，后盖板位置的磨损最大，是影响叶轮磨损强度的主要因素，前盖板位置处的磨损最小。分析四处磨损位置在不同的叶片包角中的变化，100°包角时的叶片的磨损强度最小，当包角大于100°时，叶轮的磨损均有一定程度的上升。

图3 不同叶片型线结构叶轮平均磨损强度变化

为进一步分析叶片结构形式变化对渣浆泵性能的综合影响，对不同叶片型线结构的渣浆泵的水力性能进行分析，可得到如图4 所示的渣浆泵水力性能的变化曲线。从图4 中可以看出，采用圆柱形叶片整体上对水力性能具有较大的提升，降低了渣浆泵的轴功率，提高了水力的效率，当叶片包角大于100°时，轴功率保持稳定，扬程和效率则随着叶片包角的增加而增加。综合图3、图4 可知，叶片的型线结构对渣浆泵的磨损及水力性能存在着制约，在提升性能的同时将导致叶轮的磨损加剧，从而影响叶轮的使用寿命。因此，在进行渣浆泵的设计及使用过程中，应从使用寿命考虑选择渣浆泵的叶片结构及工作参数，保证设备使用的稳定可靠。