煤礦井下排水系統離心泵葉輪口環間隙的優化研究

張 志

（中天合創能源有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

離心式水泵作為一種廣泛應用的排水裝置，是目前最常用的井下排水設備，離心泵依靠高速旋轉將機械能轉換為液體的動能實現排水，因此對離心泵的工作效率和穩定性要求較高[1]，離心泵葉輪口環間隙對離心泵工作時的容積效率影響較大，不同的葉輪口環間隙對離心泵的工作特性影響極大，多數科研工作者對離心泵性能的研究主要集中于對葉輪葉片結構的改善，較少涉及間隙研究，因此本文對離心泵葉輪口環間隙對離心泵工作特性的影響進行研究。

1 離心泵計算模型的建立

以常用的井下排水泵為分析對象，為確保該分析的準確性，對其進行三維建模時不僅包括離心泵，還包括了進、出水管部分，如圖1、圖2所示。

圖1 葉輪口環間隙結構示意圖

圖2 離心泵流體區域結構示意圖

將三維模型導入到Fluent仿真分析軟件中并對其進行網格劃分，離心泵的殼體及葉片為大曲率不規則的弧面結構，在進行網格劃分時采用Tetra及Mixed結合的非結構化混合網格劃分，先對泵體的整個流道進行劃分，然后對葉輪口環間隙的位置加以細化處理，確保在圓弧過渡位置具有相當數量的網格點，保證計算精度。綜合評估后采用了基于壓力的求解方程對該離心泵進行分析，其求解時的數學模型可表示為[2]：

式中：Sφ為廣義源代碼；ρ為液體的密度；t為時間數值；φ為數學通用因變量；τφ為廣義擴散系數。

液體在離心泵內流動時將做復雜的三維湍流流動，因此需要對液體的湍流流動進行專門分析，以提高數值分析的準確性，利用RNGk-ε湍流模型作為對泵體內的計算方案。在分析時利用離心泵工作時的耗散率和湍流動能為基礎數據，實現對液壓流動時湍流流量的控制。仿真時離心泵仿真參數的設置根據離心泵的實際情況進行，設置流量為55 m3/min，電機轉速為2900 r/min，泵的揚程為30m，離心泵的葉輪的最大直徑為167mm，進口位置的直徑為70mm，葉輪的葉片數量設置為4片，葉輪口環的原始間隙設置為0.5mm，口環位置間隙的長設置為16mm。

2 不同口環間隙對離心泵效率的影響

離心泵在進行工作時會在口環位置的連接處產生一定流體的泄露，造成離心泵工作效率的降低，影響井下排水工作，為了對不同口環間隙對離心泵排水效率的影響程度進行精確分析，將離心泵樣機工作時所測得的理論值和不同口環間隙下得出的離心泵的工作效率進行對比，對口環間隙對離心泵工作效率的影響程度進行評估，離心泵樣機的口環間隙為0.5mm，為了對比分析，本文分別選擇了口環間隙為0.2mm、0.5mm和0.8mm情況下對離心泵的工作效率進行分析，離心泵工作時的效率η計算公式可表示為[3]：

式中：Q為流體在葉輪內的水流量；ω為葉輪轉速；pin為離心泵進口處的壓力；pout為離心泵出口處的壓力；M為離心泵葉輪旋轉時的輸出扭矩。

離心泵工作時效率的測試值和理論值的分析結果如圖3所示。

由圖3可知，離心泵的效率與葉輪口環的間隙密切相關，當口環間隙為0.2mm時其效率約為76%，此時實測效率低于理論計算效率，當葉輪口環的間隙為0.8mm時其效率約為69%，此時的實測效率略微高于理論計算的效率，當葉輪的口環間隙為0.5mm時，其效率的理論值和模擬值重合度較好。

圖3 不同口環間隙下離心泵的效率變化曲線

3 不同口環間隙下離心泵的壓力變化分析

利用Fluent仿真分析軟件對不同口環間隙情況下離心泵工作時的壓力變化情況進行了分析，分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同口環間隙下離心泵的壓力（Pa）云圖

圖5 不同口環間隙下離心泵的壓力變化曲線

由圖4可知，離心泵口環間隙的變化對泵進口和出口位置的壓力分布影響顯著，葉輪口環間隙越大，離心泵在工作時后腔高壓區的范圍不斷減小，前腔低壓區的范圍不斷向著蝸殼蝸室的上側移動，因在蝸殼內部沿流體流動方向上的尺寸遠大于垂直于運動方向上的尺寸，因此隨著口環間隙的變化其在沿流體流動方向上的壓力變化較為顯著，口環間隙越小氣壓力變化的幅度越大。

由圖5可知，離心泵前腔的壓力逐漸降低，且口環間隙越大其下降的幅度越大，通過對比當口環間隙為0.2mm時其流體流動時的靜壓要遠高于0.5mm、0.8mm口環間隙情況下的液體壓力，離心泵前腔壓力的變化會直接導致流體流動時的徑流情況發生變化，流體靜壓越高，液體在泵體內流動時的液阻越大，在流動過程中的流體的泄漏量就越大。

4 不同口環間隙情況下離心泵的速度變化分析

為了對不同口環間隙情況下離心泵速度場的變化情況進行分析，引入了葉輪口環處液體的流速計算公式及壓差下流動的阻力系數的數學公式[4]。

式中：Δp為液體在葉輪口環位置進、出口位置的壓差；l為液體流動的距離；b為口環間隙寬度；v為口環間隙處液體的平均速度；λ為壓差流動情況下的阻力系數；μ為液體的動力黏度。

流體在葉輪內部流動時在內部環型內壁摩擦產生剪切力，使流體發生了變形，在流體的內部會產生一個向外的擠壓力，因此流體的流動會同時表現出一個沿周向的流動和垂直于徑向的壓力流動，由式（3）、式（4）可知，流體在流動時口環間隙對速度影響極大，口環間隙越小氣流動時平均流速越小，阻力系數顯著增加，由圖6所示的不同口環間隙下流體的速度分布可知，口環間隙越大其流速越大，但泄露量會增加。

圖6 不同口環間隙下離心泵的速度場

5 結論

針對不同口環間隙對離心泵工作特性的影響進行了分析，結果表明，葉輪口環間隙能顯著影響流體在離心泵內的流動狀態，當口環間隙為0.5mm時能夠確保液體在流動時的壓力、震動和泄漏量的平衡。