內裝式礦用潛水泵背葉片幾何參數對泄漏量的影響

2013-12-29 00:00:00許榮軍王震顧玉中

科技資訊 2013年20期

摘要：取內裝式礦用潛水泵葉輪背葉片半徑、數量、高度等6個幾何參數為因素，每個因素選用3個水平，選用L18（37）正交試驗方案設計18個方案。利用商用軟件CFX，對N-S方程進行離散，選用標準的模型，利用結構化網格對18個設計方案的全流場進行數值模擬，分析內裝式礦用泵后口環處的泄漏量。對泄漏量結果進行了極差分析，得到了背葉片幾何參數對泄漏量的影響的主次順序，并得出了最優的幾何參數組合，并與無背葉片的情況作了對比。計算結果對內裝式礦用泵背葉片的設計具有理論參考價值。

關鍵詞：內裝式礦用潛水泵背葉片正交試驗結構化網格

中圖分類號：TH311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0104-02

隨著煤礦采掘業建設規模日益擴大，煤礦排水泵需求迅猛增長，內裝式礦用隔爆潛水泵依據市場需求，可以一次性將礦內污水直排到地面。據調查，國內礦用隔爆潛水電泵的平均首次無故障運行時間一般不超過1000h，煤礦污水中的運行環境十分惡劣，井下操作人員水平參差不齊，電泵的故障頻發，電機腔泄漏、機械密封壽命短、過流部件磨損、軸承失效、水力性能較低，泵可靠性較差。內裝式礦用隔爆潛水泵一般在末級葉輪均設置背葉片，一方面可以防止煤炭顆粒進入密封環，減少顆粒對口環的磨損。第二可以降低口環兩端面的壓力差，減少泄漏量[1]。

占梁梁，張克危對渣漿泵背葉片的密封能力用CFD進行了分析，但計算時將泵的全流場分為了主流區和背葉片部分，不完全符合泵內實際的流動狀態[2]。周志安用理論推導，介紹了背葉片離心密封能力及其應用[3]。蔡龍將CFD與理論對比分析，但是只對比分析了背葉片的流動區域[4]。

本文利用CFD數值模擬的方法，基于正交試驗方法，以ns=58內裝式礦用潛水泵為模型，對背葉片幾何參數進行設計，采用結構化網格對泵的全流場進行了數值模擬和性能預測，得出了背葉片對泄流量影響的主次因素；并對有無背葉片的情況進行了內流的對比。對內裝式礦用泵背葉片的設計具有參考價值。

1 計算模型

本文選用流量Q=200 m3/h，揚程H=60 m，轉速n=2950 r/min，比轉速ns=58的內裝式礦用潛水泵的模型為計算模型。

該內裝式礦用潛水泵設置了前后口環，口環過流間隙為0.2 mm，長度為20 mm。本文采用Pro/e三維實體造型軟件進行實體造型，將整泵的流場分為葉輪、蝸殼、進口段、前泵腔、后泵腔、前口環、后口環、背葉片8個流體計算區域，該模型設置了兩個出口，如圖1所示。本文在設計背葉片時，選擇了三種背葉片的型線，背葉片模型如圖2所示。

隨著計算流體CFD軟件的發展，非結構的四面體網格對復雜的模型具有良好的適應性[5]，但是在模型長寬尺寸比例較大時，很難畫出質量好的網格。本文在全流場模擬時，口環間隙的長寬比為100，采用非結構的四面體很難達到計算要求。本文采用了結構化的六面體網格，當葉輪、蝸殼、背葉片、泵腔、口環處網格總數達到200萬以上時，網格數目對外特性的影響趨于穩定，其中葉輪和蝸殼網格數目為69萬。選取湍流模型，假定進口速度在軸向均勻分布，具體數值由流量與進口面積比值給定。采用壓力出口邊界條件，出口1的靜壓力由設計揚程估算得到，出口2的靜壓力設置為0Pa，即后口環處與大氣相通。在固壁處采用無滑移邊界條件，在近壁區采用標準壁面函數，介質選用清水。外徑、內徑、高度、寬度、數量、形線等背葉片的幾何參數對背葉片的封液能力均有影響[6]。考慮到泵加工及裝配的可行性，選擇背葉片與后泵蓋之間的間隙δ=1mm，并將該間隙值作為因素之一，選用了7因素3水平的正交試驗方案，具體因素水平選擇如表1所示[7]。具體的試驗方案見表2。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

一般來說，各列的極差是不相等的，這說明各因素的水平改變對試驗結果的影響是不相同的，極差越大，表示該列因素的數值在試驗范圍內的變化會導致試驗指標在數值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗結果影響最大的因素，也就是最主要的因素。在設計工況下，對18個試驗方案進行計算，統計后口環處的泄漏量，具體結果見表3。為了尋找對泄漏量影響的主次因素，對正交試驗結果進行極差分析，分析結果見表4。

通過對背葉片幾何參數對泄漏量影響的極差分析得出：RC > RG > RD > RF > RB > RA > RE。所以，各因素從主到次的順序為：C（背葉片數量），G（背葉片寬度），D（背葉片高度），F（背葉片線型），B（背葉片內徑），A（背葉片外徑）。從而得出最優方案為：背葉片數量為8個，背葉片寬度為8 mm，背葉片高度為4 mm，背葉片線型為前彎，背葉片內徑200 mm，背葉片外徑410 mm。

2.2 有無背葉片對比分析

無背葉片的情況下，后口環處的泄漏量為0.817kg/s，與正交試驗結果對比分析可知，背葉片的存在可以明顯的降低后口環處的泄漏量，對液封能力有明顯的提高。

本文選用泄漏量最小的試驗3作為模型，與無背葉片的情況進行了內流對比分析。圖3為后泵腔區域的壓力等值線，有背葉片時，后泵腔的最低壓力明顯的低于無背葉片存在的情況，由于背葉片對水體的干擾，造成了后泵腔進口位置的壓力值增大，且靠近背葉片工作面的壓力大于背葉片背面。

圖4為后泵腔區域的速度矢量分布，有背葉片時，速度值明顯大于無背葉片存在的情況。

圖5為背葉片區域水體的壓力等值線分布，壓力具有明顯的梯度變化，在背葉片進口的地方，由于背葉片的作用，造成了壓力值的增大；但后泵腔的壓力分布和背葉片流體區域的壓力分布總體相似。圖6為背葉片區域水體的速度矢量，在流道中間產生了一定的漩渦區，從而阻止了流體向口環處的泄漏。

3 結論

利用商用軟件CFX計算分析了背葉片不同幾何參數對后口環處的泄漏量影響，并與無背葉片的情況的內流分析作了對比，結果表明。

（1）背葉片的存在能明顯的降低后口環處的泄漏量。

（2）背葉片的幾何參數對泄漏量有一定的影響，通過正交試驗得出了背葉片幾何參數對泄漏量影響的主次因素為數量、寬度、高度、線型、內徑、外徑。

參考文獻

[1]曹衛東，李躍，孫新慶.內裝式礦用隔爆多級潛水泵設計[J].排灌機械，2009，27（3）：145-149.

[2]占梁梁，張克危，劉偉超.渣漿泵背葉片密封的CFD分析[J].潤滑與密封，2004，3：57-63.