礦用防爆泵的結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)

田世佼

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

當(dāng)一個(gè)煤礦正在建造或服務(wù)時(shí)，地表水地下水可能會(huì)通過(guò)各種渠道流入煤礦，如裂縫，斷層和沉降區(qū)。如果礦山中的水多于正常的排水能力，可能會(huì)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象[1]。此外，水噴出甚至大水壓爆炸會(huì)造成更大的傷亡，導(dǎo)致重大事故，甚至?xí)l(fā)地質(zhì)災(zāi)害等更為嚴(yán)重事故的發(fā)生。例如，在大興煤礦引發(fā)涌水事故，傷亡較大，此外，在山西省王家?guī)X煤礦還有一個(gè)嚴(yán)重的礦井涌水事故，造成153人被困在礦井底部[2]。

因此，有必要進(jìn)行大型潛水泵的研制。防爆礦用潛水泵集成了泵和電機(jī)，使其緊密合為一個(gè)單元。具有重量輕、噪音低、安裝方便、成本低并且無(wú)需灌溉即可啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，該泵具有廣泛的應(yīng)用范圍。葉輪和蝸殼是礦用潛水泵主要部件。內(nèi)部流動(dòng)渦流場(chǎng)主要受噴流尾流的影響，在葉輪出口處和動(dòng)態(tài)靜態(tài)干擾葉輪葉片和蝸舌之間的效應(yīng)不均勻的內(nèi)部流動(dòng)顯示為不穩(wěn)定的時(shí)間流動(dòng)域，這增加了泵中的能量損失，降低了泵的效率。同時(shí)，造成流動(dòng)噪音并且蝸殼的振動(dòng)明顯，甚至泵的結(jié)構(gòu)可能在極端情況下被破壞。因此，研究?jī)?nèi)部流場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)于工程潛水泵蝸殼在設(shè)計(jì)和性能上的改進(jìn)是非常有價(jià)值的，煤礦中氣體含煤氣或其他爆炸物，防爆潛水泵用于排水，所以它的安全性和可靠性非常重要。防爆潛水礦用泵內(nèi)馬達(dá)采用多出口蝸殼，其中的壓力波動(dòng)分析對(duì)于礦井泵合理設(shè)計(jì)具有重要意義[3]。本文采用BQW50型潛水泵作為模型，泵有三個(gè)出口，蝸殼與三個(gè)出口配合，葉輪和流體結(jié)構(gòu)相互作用分析，導(dǎo)致壓力動(dòng)態(tài)應(yīng)力下蝸殼的特性達(dá)到最優(yōu)化。蝸殼中不同位置的特征也有相當(dāng)不同，這為礦井泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潛水礦用泵與內(nèi)部電機(jī)礦井防爆潛水泵的典型結(jié)構(gòu)如圖1。從圖中可見(jiàn)，液體首先通過(guò)底座的過(guò)濾器進(jìn)入泵體，然后第一葉輪或多個(gè)葉輪加壓，流入其中的徑向擴(kuò)散器液體流體速度減少、壓力能量增加，最終流體從蝸殼流出并通過(guò)環(huán)形通道圍繞電機(jī)，并到達(dá)出口法蘭泵[4-6]。

圖1 煤礦礦井防爆泵的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MT∕T 671-2005的規(guī)定，泵過(guò)濾器總的有效面積應(yīng)是作為泵吸入口的三倍大，同時(shí)過(guò)濾器的最大尺寸孔的最小尺寸應(yīng)小于75%流動(dòng)的口徑。在保證機(jī)械性能的前提下，基座的空隙率應(yīng)該增加過(guò)濾孔的直徑到極限，其中可以降低流體通過(guò)過(guò)濾器的孔流速，從而減少水力損失和提高液壓效率。泵蓋的高度應(yīng)該大于吸入口直徑的1.5倍，這樣可以使得流體通過(guò)它進(jìn)入第一個(gè)葉輪損失較小[7]。

參照泵的水力模型，設(shè)計(jì)葉輪和徑向擴(kuò)散器，由于礦井水泵的水力效率比普通泵低，設(shè)計(jì)礦用泵安全限度應(yīng)該時(shí)要大一些。潛水泵比轉(zhuǎn)速低，葉輪出口寬度要適當(dāng)增加，以滿足葉輪可以輸送含有大量雜質(zhì)的污水的需求。

同時(shí)，為了使“水頭曲線”下降，葉輪的出口導(dǎo)流片交錯(cuò)角度應(yīng)該減少。使用導(dǎo)輪導(dǎo)葉防爆潛水泵，因?yàn)檎驅(qū)Я髌头聪驅(qū)Я髌且粋€(gè)連續(xù)的整體，從入口形成一個(gè)小的分離流道正導(dǎo)流片到反向?qū)Я髌某隹谝约耙后w的入口每個(gè)流動(dòng)的節(jié)點(diǎn)都不能混合[8]。雖然這個(gè)過(guò)程流道導(dǎo)流片壓力較大，但是整體體現(xiàn)的水力損失小。

蝸室可以改變液體的動(dòng)能，從最后一個(gè)葉輪轉(zhuǎn)換成壓力能量，并且蝸殼的出口數(shù)量通常為三至六個(gè)，如圖2所示。

在許多出口將增加液壓，來(lái)使得摩擦損失少，出口過(guò)多可能會(huì)使徑向尺寸減小全流量轉(zhuǎn)輪太大。一般地，軸向?qū)挾戎饾u增大，應(yīng)保持徑向尺寸和軸向尺寸保持不變，擴(kuò)散角度為6°至10°。當(dāng)流體向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出口面積應(yīng)增加，盡可能地進(jìn)一步降低動(dòng)力能量，并增加壓力能量。

圖2 常見(jiàn)的蝸室構(gòu)型示意圖

2 礦井防爆泵的結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真及分析

在本文中，葉輪和蝸殼中的液體流動(dòng)基于雷諾平均N-S方程進(jìn)行模擬，K-§模型，有限體積法和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格被選為水網(wǎng)格化葉輪和蝸殼，同時(shí)GGI拼接網(wǎng)格技術(shù)用于葉輪和蝸殼之間。對(duì)于給定負(fù)載下的強(qiáng)度分析，一個(gè)有效的方法是有限元方法。有限元方法首先需要確定剛度矩陣和每個(gè)單元的質(zhì)量矩陣，然后重新連接每個(gè)單元與原來(lái)的結(jié)構(gòu)變成一個(gè)整體的有限元方程，通過(guò)使用動(dòng)態(tài)平衡條件和邊界條件，包括使用：結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；結(jié)構(gòu)剛度矩陣；離心式力載荷矢量；等效節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)表面上載荷向量；等效的節(jié)點(diǎn)初始結(jié)構(gòu)力引起的載荷矢量；節(jié)點(diǎn)集中力量矢量等參數(shù)。

通過(guò)Pro∕E軟件制作蝸殼的三維模型，并且該三維模型通過(guò)使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置參數(shù)為：蝸殼的選擇材料是QT600-3，其彈性模量：E=150 GPa，泊松比例=0.3，密度=7300kg∕m3，屈服強(qiáng)度：370 MPa。

通過(guò)計(jì)算可以看出，隨著計(jì)算的增加階，蝸殼的振動(dòng)頻率逐漸增加，并且二階頻率接近三階，而頻率之間有很大的差異。

通過(guò)使用差值法分析流固耦合，在設(shè)計(jì)流程中表面上的壓力是通過(guò)穩(wěn)定分析得到的，蝸殼通過(guò)螺栓連接，因此部件的組合表面作為固定側(cè)處理。圖3分別顯示等效應(yīng)力分布，這反映了最大的壓力是大約36.12 MPa，并發(fā)生在蝸殼舌板和葉輪蓋板連接處之間，而從徑向到軸向角落方向存在更大的壓力，這在圖3中的環(huán)中標(biāo)出。從圖3還可以看出，最大位移與QT600-3的材料有關(guān)，為0.009 mm，出現(xiàn)在前面的前蓋板上蝸舌。

流體-固體相互作用通過(guò)網(wǎng)格的交互耦合計(jì)算，變形蝸殼的位移數(shù)據(jù)傳遞給流體，三維非定常湍流計(jì)算的區(qū)域在設(shè)計(jì)流量下制作，從而實(shí)現(xiàn)獲得蝸殼中的壓力波動(dòng)預(yù)測(cè)，考慮流體-固體相互作用效應(yīng)。在本文中時(shí)間步長(zhǎng)取為0.0006 s，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)每個(gè)時(shí)間步10°。四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是設(shè)置在蝸殼中，該泵的轉(zhuǎn)速為2980 r∕min，葉輪葉片數(shù)Z=4，所以其軸頻率T=2980∕60=50，其葉片頻率f=ZT=4×50=200 Hz。

通過(guò)對(duì)壓力系數(shù)進(jìn)行FFT變換每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化譜在每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都獲得了，從計(jì)算中可以看出，因?yàn)槲仛ち鞯廊肟谔幍牧鲃?dòng)受到影響嚴(yán)重，受到葉輪外流的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處的幅度大于另一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)最大的頻譜幅度發(fā)生時(shí)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻率是約200 Hz，這說(shuō)明了壓力的基本頻率蝸殼的波動(dòng)由葉輪葉片頻率決定的。第二頻率的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1是400 Hz，而其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)是0Hz。

3 結(jié)論

綜上所述，本文基于BQW50型礦用泵，設(shè)計(jì)了一種新型的內(nèi)置馬達(dá)的防爆潛水礦用泵，并且選用有三個(gè)出口的蝸殼。通過(guò)葉輪和流體-結(jié)構(gòu)相互作用分析，得到了蝸殼下的應(yīng)力動(dòng)態(tài)特性。這意味著最大壓力出現(xiàn)在蝸殼舌頭和蓋子之間的連接處，而最大應(yīng)變出現(xiàn)在封面上在蝸殼舌頭前面的圓盤(pán)處。考慮到流體固體耦合作用機(jī)制，這表明壓力波動(dòng)葉輪壓力與蝸殼內(nèi)壓力之間沒(méi)有共鳴，本文對(duì)于礦井防爆泵的結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要理論和工程實(shí)用價(jià)值。