偏置短葉片對改善重介質(zhì)旋流器合介入料泵性能的影響

呂秀麗

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

偏置短葉片對改善重介質(zhì)旋流器合介入料泵性能的影響

呂秀麗1,2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

為了優(yōu)化設計重介質(zhì)旋流器合介入料泵的結(jié)構(gòu)，提升設備性能，結(jié)合重介質(zhì)旋流器的阻力特性，從數(shù)學機理和物理機理兩方面分析偏置短葉片合介入料泵的內(nèi)部流體流動機理，并利用計算流體力學技術(shù)揭示其內(nèi)部流場分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：偏置短葉片能夠改善泵內(nèi)流體的運動狀態(tài)，減小壓力脈動，降低沖擊損失，有效抑制尾流區(qū)的形成和發(fā)展，此時泵的揚程和水力效率分別提高3.46個百分點和2.66個百分點，這說明偏置短葉片能夠改善重介質(zhì)旋流器合介入料泵的性能。

重介質(zhì)旋流器；合介入料泵；偏置短葉片；阻力特性；流動機理

重介質(zhì)選煤是目前應用最廣泛，效率最高的選煤方法。重介質(zhì)旋流器是重介選煤廠的核心設備，其運行工況好壞直接影響整個系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。該旋流器的分選效果除受設備結(jié)構(gòu)、原煤性質(zhì)等因素影響外，很大程度上取決于入料的壓力和數(shù)量，而這些因素與重介質(zhì)旋流器的合介入料泵(渣漿泵)性能密切相關(guān)[1-2]。作為選煤廠的重要輔助設備，渣漿泵性能的優(yōu)劣直接影響生產(chǎn)效率和企業(yè)經(jīng)濟效益，因此在保證重介質(zhì)旋流器入料量的前提下，最大限度的提高入料壓力，保證設備的高效與精確分選，成為提高渣漿泵性能的目標之一。

結(jié)合重介質(zhì)旋流器的阻力特性，分析渣漿泵內(nèi)部流體的流動機理，并運用計算流體力學技術(shù)，進一步研究偏置短葉片對其影響的規(guī)律，為優(yōu)化設計渣漿泵的結(jié)構(gòu)，提升其性能提供一定的理論借鑒。

1 渣漿泵工作原理與流體流動機理

渣漿泵屬于離心式水泵，其工作原理為：泵的外殼容器靜止不動，外殼內(nèi)的葉輪通過電動機帶動高速旋轉(zhuǎn)，葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用于流體；充斥于葉輪腔內(nèi)流體被從葉輪中心甩向四周，并被拋到泵殼內(nèi)，從而使流體獲得動能和壓能；由于葉輪外圍的泵殼斷面不斷增大，流體的動能部分轉(zhuǎn)化為壓能，故泵出口處的流體具有較大的壓力，因而可以通過排水管道將其送到一定的高度和距離[3-4]。

在流體被從葉輪中心甩向四周的過程中，葉輪進口處形成低壓帶(具有一定真空度)，液池中的流體在大氣壓力作用下，通過濾網(wǎng)經(jīng)吸入管進入葉輪內(nèi)部，以補充從葉輪中流出的流體。在設備工作過程中，葉輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)，流體不斷獲得離心力并被吸入和壓出，故泵可以源源不斷的向外輸送流體。

1.1 重介質(zhì)旋流器的阻力特性

在重介質(zhì)選煤系統(tǒng)運行時，重介質(zhì)旋流器的阻力曲線與生產(chǎn)系統(tǒng)管路的阻力曲線疊加，共同組成系統(tǒng)的阻力特性曲線，該曲線與渣漿泵的性能曲線的交點就是生產(chǎn)系統(tǒng)的實際運行工況點(圖1)。

1—泵的揚程-流量特性曲線；2—系統(tǒng)阻力曲線

由圖1可知：在保證重介質(zhì)旋流器入料量不變的前提下，為使其獲得較高的入料壓力，需要改善泵的性能，主要是提高其揚程和水力效率。

1.2 渣漿泵內(nèi)部流體的流動機理

1.2.1 數(shù)學機理

假設泵的進口無旋，根據(jù)其揚程基本方程(式(1))和葉輪出口速度三角形(圖2)，

(1)

圖2 葉輪出口速度三角形

可以得到：

v2u∞=u2-v2m∞ctgβ2g，

(2)

(3)

式中：v2u∞為液體在葉片出口處絕對速度的圓周分速度，m/s；u2為葉輪出口圓周速度，m/s；v2m∞為液體在葉片出口處絕對速度的軸面分速度，m/s；β2g為葉片出口安放角，(°)；QV為流量，m3/s；D2為葉輪外徑，m；b2為葉片出口寬度，m。

將式(2)、式(3)代入式(1)得到無窮多葉片泵的揚程與葉輪外徑和出口安放角之間的關(guān)系，

(4)

根據(jù)斯托道拉修正公式，可得到有限葉片泵的揚程與葉輪外徑、出口安放角和葉片數(shù)之間的關(guān)系，

(5)

式中：Z為葉片數(shù)量。

式(5)說明：泵的揚程與葉輪外徑的二次方成正比，且隨著葉片出口安放角的增大而增加。葉輪的圓盤摩擦損失功率與外徑的五次方成正比，與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，單純通過增大葉輪外徑的方法來提高揚程，將使渣漿泵的水力效率急劇降低。

為了提高泵的性能，在葉輪外徑不變的條件下，探索通過增加葉片出口安放角和葉片數(shù)量來提高其揚程和水力效率。但出口安放角過大時，將使流道擴散嚴重，擴散損失增大；葉片數(shù)量增多將使葉輪進口堵塞嚴重。鑒于無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器合介泵的入料為重介質(zhì)懸浮液，不會因入料粒度而堵塞，故采用偏置短葉片技術(shù)解決上述問題。

1.2.2 物理機理

所謂偏置短葉片是將短葉片向長葉片非工作面偏移布置，以消除長短葉片對稱布置，引起短葉片的相鄰流道內(nèi)流量、分布流速不均及水力損失增大的問題[5-7]。渣漿泵內(nèi)流體的流動區(qū)域由尾流區(qū)和射流區(qū)組成，尾流-射流模型如圖3所示。葉輪水力損失主要集中在尾流區(qū)，較大的葉片出口安放角將使葉輪流道擴散嚴重，葉片軸向旋渦增強，靠近葉片非工作面區(qū)域的脫流區(qū)增大，設備水力性能下降[8]。

圖3 離心葉輪內(nèi)的真實速度分布

理論上通過偏置短葉片(圖4)可以有效改善其工況，在一定程度上提高泵的揚程和水力效率。主要原因為：①葉片數(shù)量增多，有限葉片數(shù)量影響減少。②對于流道擴散的葉輪，葉片工作面邊界層內(nèi)的低能流體經(jīng)葉輪蓋板邊界層進入葉片非工作面邊界層，聚集在非工作面并形成尾流，偏置短葉片可以有效阻止這種流動的產(chǎn)生和發(fā)展；同時由于流道縮短，流體擴散減小，能夠有效防止非工作面上流體的分離和脫流，抑制尾流區(qū)的形成和發(fā)展。③靠近長葉片的非工作面存在脫流區(qū)，偏置短葉片可以有效壓縮該區(qū)域，保證流速均勻，并能在一定程度上沖刷尾流。④偏置短葉片可以增大有限葉片數(shù)修正系數(shù)，提高泵的揚程，減小葉輪內(nèi)流體因慣性作用引起的軸向旋渦，同時避免葉輪進口被堵塞，降低沖擊損失，增強泵的抗汽蝕性能。⑤偏置短葉片能夠有效改善葉輪內(nèi)部的流速分布，減小葉輪內(nèi)部的水力損失，提高泵的性能。

2 偏置短葉片渣漿泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬

為了進一步驗證通過偏置短葉片改善泵性能的可行性，采用計算流體力學技術(shù)分別對偏置短葉片前后的渣漿泵內(nèi)部流場進行模擬研究。渣漿泵的主要技術(shù)參數(shù)為：流量650 m3/h、揚程40.10 m、轉(zhuǎn)速730 r/min、效率77.50%、比轉(zhuǎn)速71，偏置短葉片的設計參數(shù)如圖5所示，建立的流體三維模型如圖6所示。

圖4 偏置短葉片后離心葉輪內(nèi)的速度分布

圖5 渣漿泵偏置短葉片設計參數(shù)

圖6 偏置短葉片渣漿泵的整機模型Fig.6 The integral model of the slurry pump with offset-arranged short blades

利用計算流體力學軟件對其進行數(shù)值模擬與分析，采用RNG的k-ε雙方程粘性模型、速度入口邊界條件及速度-壓力耦合求解器進行湍流計算，旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止泵體的耦合模型選用多重參考坐標系的MRF模型[9-10]。偏置短葉片前后整機的壓力場分布如圖7所示。由圖7可知：偏置短葉片渣漿泵內(nèi)部的流場壓力分布符合離心泵的工作原理，即壓力沿著出流方向呈逐漸增大的趨勢，其中葉輪入口附近壓力最小，蝸殼出口附近壓力最大。

圖7 整機的壓力場分布

偏置短葉片渣漿泵具有以下技術(shù)優(yōu)勢：①進口負壓區(qū)域有一定程度的減弱，葉輪進口沖擊損失降低，泵的抗汽蝕性能有所提高；②葉輪出口區(qū)域壓力變化梯度明顯減小，各流道壓力變化梯度一致，壓力分布均勻，可以有效抑制尾流區(qū)的形成和發(fā)展；③蝸殼區(qū)域內(nèi)流體壓力分布更均勻，沒有出現(xiàn)靜壓相對較大的局部區(qū)域，且壓力變化梯度較小，有利于減小葉輪出口的壓力脈動；④泵的出口具有較高壓力，能夠有效提高其揚程，改善流體流動狀態(tài)，提高設備性能，進而使渣漿泵提供的流體具有較高水頭，從而為重介質(zhì)旋流器的精確分選提供充足動力。

偏置短葉片前后整機的流場速度矢量如圖8所示。由圖8可知：葉輪內(nèi)各流道的流速變化趨勢與理論分析一致，即葉輪進口處的流體速度較低，其進入葉輪后速度逐漸增大，出口附近速度最大；蝸殼內(nèi)流體流動比較平穩(wěn)，流速變化梯度較小，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，蝸殼內(nèi)沿著出流方向的流體流速逐漸降低，在蝸殼出口處流體的部分動能轉(zhuǎn)變成壓力能，這完全符合渣漿泵的流體流動機理。

圖8 整機流場速度矢量圖

與普通的渣漿泵相比，偏置短葉片渣漿泵具有以下特點：①葉輪和蝸殼內(nèi)的速度場變化平緩，速度分布均勻，能夠有效防止泵內(nèi)流體流動分離，流體流動控制較好，紊流程度減弱，水力損失降低；②葉輪出口流速均勻，具有沖刷尾流的作用，能夠抑制尾流區(qū)的形成和發(fā)展，尾流-射流現(xiàn)象明顯降低；③葉輪出口速度均勻，其出口流體匯集于蝸殼時的擾動程度降低，葉輪出口到泵體進口之間的混合損失降低，泵的水力性能得到改善。

通過對偏置短葉片渣漿泵進行水力計算可知，渣漿泵的揚程和水力效率分別可提高3.46個百分點和2.66個百分點，這充分說明通過偏置短葉片技術(shù)改善重介質(zhì)旋流器合介入料泵性能在技術(shù)上完全可行。

3 結(jié)論

在重介選煤廠，重介質(zhì)旋流器與渣漿泵在系統(tǒng)中是一個整體。結(jié)合重介質(zhì)旋流器的阻力特性曲線，改善渣漿泵的性能，提高其揚程和水力效率，是提高整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和分選效果的關(guān)鍵因素。利用計算流體力學技術(shù)與理論分析相結(jié)合的方式，對偏置短葉片渣漿泵內(nèi)部流體的流動狀態(tài)進行分析，可以得出以下結(jié)論：(1)偏置短葉片有利于葉輪出口和蝸殼入口的壓力、速度均勻分布，進而使葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失降低。

(2)偏置短葉片可以抑制尾流區(qū)的形成和發(fā)展，并具有沖刷尾流的作用。

(3)采用該技術(shù)能提高泵內(nèi)流場的穩(wěn)定性，降低水力損失，提高設備的水力性能。與普通渣漿泵相比，偏置短葉片渣漿泵的揚程和效率分別提高3.46個百分點和2.66個百分點。

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Effect on performance of qualified medium pump of heavy-medium cyclone produced by offset-arranged short impeller blades

LYU Xiu-li1,2

(1.China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China;2.Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012,China)

With an aim to optimizing the structural design of H.M. cyclone's qualified medium feed pump for improvement of cyclone performance, an analysis is made of the flow mechanism inside the medium pump operating with offset-arranged short blades, based on the resistance characteristics of cyclone and from both mathematical and physical aspects. Following that, the laws governing the flow filed distribution are revealed through computational fluid dynamics analysis. Result of study indicates that the use of the short blades arranged in an offset manner can lead to improvement of state of fluid flow inside the pump, reduction of pressure pulsation and impact loss, effective control of the formation and development of the wake zone and increases of pump head and efficiency by respectively 3.46 and 2.66 percentage points. This well demonstrates the pump can work with much improved performance when operating with short blades arranged in a offset manner.

H.M. cyclone; qualified medium pump; offset-arranged short blade; resistance characteristics; flow mechanism

1001-3571(2016)05-0001-04

TD943

A

2016-06-06

10.16447/j.cnki.cpt.2016.05.001

2015年煤炭科學研究總院科技創(chuàng)新基金項目：大型高效蝸殼兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的研究(2015ZYJ007)

呂秀麗(1984—)，女，河北省唐山市人，助理研究員，碩士，從事重介質(zhì)選煤工藝與設備方面的研究與開發(fā)工作。

E-mail：lvxiuli3432@126.com Tel：0315-7759387

呂秀麗. 偏置短葉片對改善重介質(zhì)旋流器合介入料泵性能的影響[J]. 選煤技術(shù)，2016(5)：1-4,8.