基于不同影響因素下的礦用水環真空泵性能優化研究

張 強

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046200）

引言

水環真空泵在很多領域都有廣泛應用，其中就包括煤礦領域[1]。在煤礦領域的應用主要是用來對瓦斯進行抽除，這對水環真空泵的吸氣量提出了非常高的要求[2]。由于水環真空泵能夠有效處理不同類型的氣體，并且擁有等溫壓縮的優勢，所以其在礦井中的作用是不可替代的[3]。最近幾年來，隨著我國煤礦領域的快速發展，對水環真空泵的需求量及其質量要求都有了顯著提升。水環真空泵的運行功率非常高，但其能源有效利用率卻相對較低。根據相關調查結果表明，水環真空泵的能源利用率大概只有40%～50%左右[4]。可以看出水環真空泵還有很大的能源利用率優化空間[5]。對水環真空泵結構以及運行參數進行優化是提升其能源利用率的重要措施和手段，但當前階段相關方面的研究鮮有資料可查[6]。鑒于此，基于FLUENT軟件對水環真空泵的運行過程進行仿真分析，詳細研究了不同結構和運行參數對其性能的影響，并結合實際情況對結構和參數進行優化，以提升水環真空泵的運行性能。

1 水環真空泵運行過程仿真模型的建立

1.1 幾何模型的建立

以2BEF型水環真空泵為例進行分析和研究，利用SolidWorks軟件根據水環真空泵的真實結構尺寸建立幾何三維模型。但考慮到水環真空泵模擬仿真過程中水和氣體流動過程的復雜性，對模型進行了一定程度的簡化，以達到計算過程難度降低的目的。但幾何模型的簡化不會對模擬仿真結果的規律產生顯著影響。圖1所示為建立的水環真空泵三維幾何模型。

圖1 水環真空泵三維幾何模型

1.2 網格單元劃分

將利用Solidworks軟件建立的幾何三維模型導入到FLUENT軟件中進行網格單元劃分。選用的是六面體網格單元，利用軟件對其進行自動劃分。建立的水環真空泵模型總體上可以劃分成為兩個區域，分別為動態區域和靜態區域。靜態區域主要包含筒體、進出口，這兩部分的網格劃分數量分別為236 326個和198 293個。動態區域主要就是葉輪，劃分的網格數量為384 363個。完成網格單元劃分工作以后，對網格進行檢查沒有發現問題，網格質量良好。

1.3 邊界條件設置

水環真空泵模型邊界條件復雜，需要在進氣口部位設置一個大氣壓值，出口部位設置一個大氣壓值。另一方面，為了確保進口位置和出口位置沒有水的流動，還需要將這兩個區域的水邊界條件設置為0。

1.4 葉輪旋轉過程設置

水環真空泵在正常工作過程中，葉輪是需要不停的旋轉的。在FLUENT軟件中，總共有3種旋轉方式可供選擇，分別為滑移網格、動網格以及坐標軸旋轉。本研究中在充分考慮模型實際情況的基礎上，選擇第1種旋轉模式，即滑移網格。將整個葉輪所在區域全部定義成為旋轉區域，旋轉中心軸為葉輪的中心線。由于2BEF型水環真空泵工作時的轉速通常為340 r/min，所以在模型中將葉輪區域的轉動速度同樣設置成340 r/min。

2 水環真空泵性能評價方式的確定

主要從水環真空泵的氣量、軸功率以及等溫壓縮效率三個層面對其性能進行評價。下面分別對3個參量的計算評估方法進行簡要概述。

2.1 氣量的評估方法

由于在對水環真空泵進行有限元建模時，對其結構進行了一定程度的簡化，導致無法直接獲取水環真空泵的排氣量，但可以通過間接的方法進行計算。對水環真空泵的工作原理進行細致分析，可以發現真空泵在正常工作時內部存在月牙形空間。在吸氣階段該空間逐漸變大，相反的，在排氣階段該空間逐漸變小。當水環內界面與輪轂存在相切關系時，認為此時所有空氣都已排出。將最大月牙灣的空間體積減去此時的空間體積，可以估算得到排出的空氣體積。基于該原理對水環真空泵的氣量進行估算。

2.2 軸功率的評估方法

水環真空泵軸的轉速及扭矩兩者間的乘積就是軸的功率。水環真空泵軸的扭距可以直接基于軟件進行提取，而軸的轉速又是已知的，所以將兩者進行相乘，就可以對軸的功率進行估算。

2.3 等溫壓縮效率的評估方法

根據相關理論計算公式可知，等溫壓縮功率主要與吸氣量、吸氣和排氣壓力因素有關系。氣量可以用上文所述的方法計算獲得，吸氣壓力和排氣壓力可以直接在仿真模型中直接提取，這樣基于理論公式就可以計算得到等溫壓縮功率。等溫壓縮功率與軸的功率兩者之間的比值就是等溫壓縮效率。

3 水環真空泵性能影響因素及其優化研究

3.1 葉輪轉速對性能的影響及優化

葉輪轉動速度是水環真空泵運行過程中的重要技術參數，對其工作性能有決定性的影響。在實際工作過程中允許葉輪轉速在一定的范圍內波動，以順應不同的工況條件。為分析葉輪轉動速度對水環真空泵性能的影響，將轉動速度設置為300～380 r/min，每間隔20 r/min取值計算。如圖2所示為不同葉輪轉動速度條件下對應的水環真空泵性能參數變化曲線。

由圖2數據可知，吸氣量和軸功率隨著葉輪轉速的增加隨之不斷增加，等溫壓縮效率卻隨轉速的增加而表現出降低的趨勢。主要是由于轉速增加后，水環真空泵的功率消耗以及等溫壓縮功率均在增加，但是前者的增加速度更快。根據等溫壓縮效率的定義不難理解，其會隨著轉速的增加而逐漸降低。煤礦領域在選用水環真空泵時抽氣量以及能耗是兩個重要的選型指標。基于上述分析可以看出，吸氣量和功率消耗是兩個相互矛盾的參數，吸氣量的增加意味著功率消耗的增加。所以水環真空泵在實踐應用時，在吸氣量滿足實際使用需要的前提下，應該盡可能控制葉輪轉速。具體而言，可以通過變頻調控技術對其速度進行有效控制。

圖2 葉輪轉速對水環真空泵性能的影響曲線

3.2 葉片形式對性能的影響及優化

水環真空泵的葉片形式主要有兩種，分別為直形葉片和圓弧形葉片。基于這兩種葉片形式建立仿真模型，進行對比研究分析。模擬仿真結果發現，兩種葉片形式得到的水環邊界基本相同，從該角度看不同葉片形式對水環真空泵的性能影響不大。進一步分析了不同葉片形式時其他性能數據，當葉輪轉速全部為340 r/min時，直形葉片的氣量、扭矩和軸功率分別為507 m3/min、25.52 N·m、8.6 kW，圓弧形葉片對應的數據分別為505 m3/min、22.06 N·m、7.5 kW。基于以上數據可以看出，兩種葉片形式的吸氣量相差不大，但是圓弧形葉片的扭矩和軸功率相對更小。因此認為圓弧形葉片能夠取得更優的效果，在對水環真空泵進行設計計算時應該優先選用圓弧形葉片。

3.3 泵殼形狀對性能的影響及優化

當前我國的各種泵殼主要為圓弧形，這種結構比較簡單，加工便捷。但是實踐經驗表明，這種結構的泵殼效率相對低下。國外很多廠家生產加工制作的泵殼為橢圓形，效率相對較高。泵殼形狀發生改變導致泵體內部水環邊界也隨之出現變化。理想情況下，水環真空泵在循環工作過程中，完成吸氣階段時，水環邊界與葉輪外緣相切時效果最優。對比分析了圓弧形泵殼和橢圓形泵殼的性能效果。下頁圖3所示為圓弧形和橢圓形泵殼結構示意圖。

仿真模擬結果發現，橢圓形泵殼在吸氣階段結束時，水環邊界正好與葉輪外緣相切，在一定程度上增加了月牙形空間體積。另外，將圓弧形泵殼改進成為橢圓形泵殼后泵殼增大，使得吸氣區域的很多葉片區域都可以將月牙形空間維持在較大的水平，保證了水環真空泵運行的穩定性和可靠性。經過計算發現，圓弧形泵殼的吸氣量大約為505 m3/min，而橢圓形泵殼的吸氣量大約為570 m3/min。由此可知，將圓弧形泵殼修改成橢圓形泵殼，使得水環真空泵的吸氣量提升了12.87%左右。因此，在生產泵殼時，應該優先使用橢圓形泵殼，以提升吸氣量。

圖3 圓弧形和橢圓形泵殼結構示意圖

4 結論

為分析不同因素對水環真空泵運行性能的影響，基于FLUENT軟件建立了水環真空泵的仿真模型。基于仿真模型計算結果發現，葉輪的轉動速度對水環真空泵的性能影響比較顯著，轉速增加雖能夠增加吸氣量但其功率消耗也隨之顯著增加。因此在滿足實際使用需要的前提下，應該盡可能控制葉輪轉速。直形葉片和圓弧形葉片吸氣量基本相同，但圓弧形葉片其他性能數據更優，因此應該優先選用圓弧形葉片。橢圓形泵殼與圓弧形泵殼相比較而言性能更優，在實踐中應該優先選用橢圓形泵殼以提升吸氣量。