葉片包角對礦漿泵磨損特性的影響

張金釗，賈競存

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

礦漿泵是采礦系統的核心裝備。在礦漿輸送過程中，漿體顆粒與水之間存在速度差，再加上顆粒本身具有慣性，因此顆粒并不能完全按照流線方向運動，從而與泵壁面產生碰撞。這不僅引起能量的損失，還會造成部件表面的磨損[1]。磨損嚴重時，泵過流部件損壞而失效，嚴重時導致泵停機以及整個流程中斷。

礦漿泵屬于典型的固液兩相流泵，過流部件的幾何參數直接影響泵的磨損特性及水動力性能。從降低磨損角度出發，LI等[2]發現在顆粒濃度較低的情況下，減小葉片出口角可以降低顆粒在葉輪中的聚集程度，有效改善葉輪整體磨損情況；李晶等[3]采用變角螺線法調整葉片線型，發現不同包角的葉輪磨損嚴重的位置未發生明顯改變，在大流量工況下，葉片包角對磨損的影響更明顯。從提高性能角度出發，ENGIN等[4]通過試驗手段研究了泵葉輪與泵體之間間隙對性能的影響，結果表明，隨著間隙的增大，泵的效率有所降低，但最佳效率點保持不變；LI等[5]以低比轉速污水泵為研究對象，通過改變葉片出口角進行數值模擬研究，發現在額定工況下，隨著葉片出口角的增大，泵的揚程逐漸下降。

目前關于葉片包角的研究多針對清水離心泵，而對礦漿泵等固液兩相流體輸送泵內的磨損特性的報道較少。葉片包角是葉片的關鍵幾何參數，在葉片數和葉片軸面投影圖確定的情況下，包角的大小反映流體在葉輪流道內的擴散程度，葉片包角對于礦漿泵的磨損特性及水動力性能有著重要的影響。

本文借助商用離散元軟件 EDEM 和計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件ANSYS Fluent，采用離散元（Discrete Element Method，DEM）與CFD耦合的方法，充分考慮顆粒與顆粒、顆粒與流體、顆粒與壁面之間的相互作用，研究在不同包角條件下，礦漿泵內過流部件的磨損及固液兩相流動特征，并對泵的運行性能進行預測，進而評價葉片包角對礦漿泵綜合性能的影響。

1 計算模型

1.1 礦漿泵參數與幾何模型

本文選取某型礦漿泵為研究對象。該泵為臥式單級單吸離心泵，結構示意圖見圖 1。固液兩相介質自水平方向吸入。葉片為進口略扭曲的圓柱形葉片。相對于普通離心泵，礦漿泵的流道寬敞，以提高固液兩相流體的通過性。該泵的主要設計參數及幾何參數：流量Q=28.2 m3/h；揚程H=8 m；額定轉速n=1 470 r/min；葉片數Z=4；葉輪進口直徑Dj=57 mm；出口直徑D2=170 mm；出口寬度b2=17 mm；蝸殼的基圓直徑D3=174 mm，進口寬度b3=40 mm。

圖1 礦漿泵結構示意圖

1.2 包角調整及模型建立

為研究葉片包角對礦漿泵磨損特性的影響，本文在保證葉輪基本外徑相同的情況下，固定葉片進口角，改變出口角，達到調整包角的目的。實物泵的包角φ=105°，重新設計包角分別為95°和115°的葉輪，并采用Siemens N X軟件進行泵過流部件的三維建模，而后提取水體計算域。整個計算域由吸入段、葉輪域、壓出室域與出口段4個部分組成，3種葉輪的水體模型見圖2。

圖2 葉輪水體模型

1.3 網格劃分

采用ICEM CFD網格劃分軟件對整個計算域進行網格劃分，由于計算域形狀較復雜，采用適應性較好的非結構四面體網格。為了減少3套葉輪網格拓撲結構的差異性，按照相同網格節點分布規律進行網格劃分，3套葉輪的網格與節點數量相當，對包角為105°的計算域進行網格數量無關性驗證，見圖 3。隨著網格數目的增多，泵輸送固液混合物時的揚程逐漸降低，網格數大于500萬時，揚程趨于穩定，為提高計算效率同時兼顧計算準確性，選擇網格數為5.02×106的網格模型進行后續的計算分析。

圖3 泵揚程隨網格數的變化

2 研究方法

2.1 材料參數設置

試驗中采用棕剛玉作為磨料，實物泵的葉輪材質為航空鋁，壓水室的材質為白口鑄鐵。為便于在模擬中比較葉輪和壓水室的磨損情況，將壁面統一設置為航空鋁。模擬中顆粒和壁面間的相互作用參數見表1。

表1 顆粒與壁面相互作用參數

2.2 計算方法及邊界條件

本文采用DEM-CFD耦合的方法計算泵內固液兩相的運動，該方法可以發揮離散元軟件EDEM與商用CFD軟件ANSYS Fluent的各自優勢，在處理多相流問題上，更加接近物理真實[6]。固液之間的耦合計算在歐拉-拉格朗日框架下進行。利用ANSYS Fluent在歐拉坐標系下對液相進行求解，控制方程為基于雷諾平均的N-S方程，采用RNG k-ε湍流模型使控制方程封閉，采用SIMPLEC算法耦合流場中的壓力場和速度場[7]。計算域的進口采用速度進口邊界條件，入口處湍流強度為 5%，出口設置為Outflow邊界。近壁面區采用標準壁面函數處理，壁面的粗糙度高度為0.046 mm。各監測量的收斂精度統一設為10?5。利用EDEM在拉格朗日坐標系下對固相顆粒進行求解，設定顆粒為單一粒徑的球形。模擬過程中不考慮熱交換。顆粒與顆粒間的接觸模型選用Hertz-Mindlin無滑移模型[8]。磨損模型采用磨損分析中常用的Archard模型[9]。

3 結果分析及討論

3.1 葉片包角對水力性能的影響

3種不同包角的固液輸送泵，揚程和效率見表2。從表2可以看出，隨著包角的增大，泵的揚程逐漸降低，效率先增大后減小，在φ=105°時泵的效率取得最大值。由圖4可以看出，包角增大時，葉輪出口處水和顆粒速度降低，壓水室中顆粒運動緩慢，產生堆積，進一步阻礙水的流動，不利于固液混合物排出泵域，因此揚程下降。包角過小時，葉片對流體控制能力降低，葉片單位面積負荷加大，導致葉片表面出現脫流現象，在葉片工作面附近出現低速旋渦，堵塞部分流道，增大了水力損失；包角過大時，葉片長度和彎曲程度都增大，因此固液混合物與葉片之間摩擦面積增大，從而帶來摩擦損失。因此泵的效率隨葉片包角的增大先升高后降低。

表2 不同包角條件下的泵揚程和效率

圖4 流體相速度矢量圖

3.2 葉片包角對磨損特性的影響

不同包角情況下，葉片的磨損量分布見圖 5。從圖5可以看出葉片背面幾乎沒有磨損產生，工作面上磨損分布不均勻，在工作面出口位置出現較為嚴重的磨損。

圖5 葉片表面磨損量分布

為便于分析葉片工作面各位置的磨損情況，在葉片工作面與前蓋板交界處等距離取10個監測點，見圖 6。在不同包角條件下，磨損量沿位置的變化見圖 7。總體來看，從葉片進口到出口，磨損量先減小后增大。隨著葉片包角的增大，葉片出口位置的磨損量逐漸減小；葉片包角時φ=115°時，葉片工作面上磨損最大的位置位于監測點8附近，監測點10位置處的磨損量最小，而當包角φ=95°和φ=105°時，監測點10處的磨損量最高。

圖6 葉片工作面監測點分布

圖7 葉片工作面的磨損量分布

圖8為不同包角情況下在t=0.408 16 s時泵內顆粒速度分布。在葉輪進口處出現低速區域，由于顆粒的比重較大，受重力的影響，進口處顆粒分布不均勻，靠近下方的顆粒濃度更高，速度更低。顆粒進入葉輪流道后，葉片高速旋轉，葉片推動著顆粒做功，顆粒速度不斷上升。葉片包角的增大，使得葉片變彎變長，顆粒沿著葉片工作面運動時因摩擦及碰撞導致的能量損失增大。因此，葉片出口處顆粒的速度隨著包角的增大而減小。

圖8 泵內速度分布

葉片工作面上顆粒與不同位置發生碰撞時的相對速度和相對角度見圖 9。顆粒由吸入段進入葉輪后，速度方向由軸向轉變為徑向，在慣性的作用下，顆粒與葉片進口產生碰撞。監測點1位于葉輪的進口區域，顆粒與壁面之間的平均碰撞角度最大，因此葉片進口處的磨損主要由顆粒大角度碰撞所導致。顆粒進入葉輪流道后，與壁面之間的碰撞角度維持在較低的水平。從葉片出口處顆粒速度推測，葉片包角減小，葉片較直，葉片與顆粒碰撞后，顆粒的速度矢量與壁面的切線方向之間的夾角增大，因此顆粒與壁面之間碰撞角增大。

圖9 各葉片工作面位置的碰撞速度和角度

沿著葉片出口方向，顆粒與葉片的碰撞速度逐漸升高，所以葉片工作面出口處的磨損是由于顆粒低角度高速碰撞或橫向切削摩擦所致。由于3種不同包角的葉輪靠近葉片進口處的型線基本保持一樣，從監測點1到監測點3，顆粒與壁面的相對碰撞速度也基本相同。葉片包角減小。會降低葉片對流體和顆粒的束縛力，顆粒與壁面碰撞后，在慣性的作用下，暫時遠離葉片工作面，高速旋轉的葉片再次與顆粒碰撞。從監測點4開始到葉片出口即監測點10，95°包角的葉片各個位置附近顆粒碰撞速度均最高，因此葉片工作面出口處磨損最為嚴重。葉片包角的增大可以有效減輕葉片出口的磨損程度。

現統計在葉輪旋轉第10個周期內，顆粒與各監測點位置碰撞的次數，見圖10。包角φ=95°時，碰撞次數曲線波動較為嚴重，在監測點5位置上，碰撞次數達到極大值，因此該位置磨損較嚴重。包角φ=115°時，各個位置監測到的碰撞次數較少，變化幅度也較小，顆粒與監測點8所在位置發生碰撞后，離開壁面，顆粒在慣性作用下進入壓出室，從而避免顆粒與葉片再次碰撞，監測點9和10與顆粒碰撞幾率較小，因此磨損較輕。

圖10 各葉片工作面位置的碰撞次數

圖11為壓水室的磨損量分布圖，與葉輪相比，壓水室的磨損較輕。壓水室的IV-VII斷面及隔舌處磨損較為嚴重。葉輪包角的不同，影響壓水室壁面的特性，總體來看，隨著葉輪包角的增大，壓水室的磨損情況有所改善。

圖11 壓水室磨損量分布圖（圖中標尺單位為：mm）

沿壓水室壁面等距離取15個監測點，即點11～點25，點11和點25分別位于第I斷面和第VII斷面與壁面的交界處，具體分布見圖12。

圖12 壓水室監測點分布

提取各監測點的磨損深度，見圖13。3種不同的包角下，監測點22和23磨損量最大，因此壓水室中IV-VII斷面之間區域磨損最為嚴重。隨著葉片包角的增大，壓水室各位置的磨損量均減小。由圖8可以看出，葉片包角的增大，會降低葉輪出口處顆粒的速度，所以顆粒與壓水室之間碰撞速度也會降低，這是壓水室壁面磨損量降低的主要原因；顆粒在壓水室中運動速度降低，會使壓水室中顆粒濃度升高，大量顆粒堆積在壓水室V-VII斷面區間內。靠近壁面的顆粒形成了緩沖層，從葉輪甩出的顆粒直接與緩沖層碰撞，阻礙顆粒直接撞擊壁面，起到減輕磨損的作用[10]。

圖13 壓水室各監測點磨損量

4 結論

本文應用數值模擬的方法對礦漿泵過流部件的磨損特征進行了研究，重點考慮了葉片包角對磨損和水動力性能的影響。采用DEM-CFD耦合的方法并配合磨損模型可準確預測固液輸送泵內的磨損特性；葉輪內磨損嚴重區域位于葉片工作面出口附近，壓水室VI-VII斷面磨損較為嚴重。隨著葉片包角的增大，泵的揚程逐漸降低，效率先增大后減小，在包角為105°時泵的效率取得最大值。同時，隨著葉片包角增大，葉片工作面的磨損情況有明顯改善，磨損最嚴重的位置逐漸遠離葉片出口；壓水室各個斷面的磨損量均降低，磨損嚴重位置未發生明顯改變。