渣漿泵不同葉片型線結構對葉輪磨損的影響分析

穆經緯

（晉能控股煤業集團大地選煤工程有限責任公司永定莊選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

我國的采煤制煤量巨大，在煤炭的洗選過程中，離心泵是必不可少的洗選設備。在不同形式的離心泵中，渣漿泵由于良好的通過性及耐磨性在煤炭的洗選過程中被廣泛應用。在進行煤炭洗選的過程中，由于煤液含有大量的懸浮顆粒及硬質固體顆粒等，在使用中對渣漿泵造成一定的磨損，影響洗選使用的效率，降低設備使用的穩定性。在渣漿泵進行洗選的過程中，葉輪部件作為主要的過流部件，其性能對渣漿泵的使用具有重要的影響，磨損過大時，會降低使用的效率[1-2]，并造成能耗及運行成本的上升。

1 不同葉片型線結構的設計

渣漿泵對含有懸浮顆粒或者密度較高的兩相流體進行輸送，以某煤礦使用的渣漿泵為例進行葉片型線結構的設計。渣漿泵的葉輪進口直徑為120 mm，出口直徑為350 mm，輪轂直徑為35 mm，葉片數量為5個，所使用的葉片為圓柱形，主要的型線形式有對數螺線、漸伸線及圓弧線三種。在渣漿泵葉輪內部的煤液的流動軌跡為對數螺線[3]，采用對數螺線的形式對葉片型線進行設計。

依據葉片的結構形式，不同的對數螺線對應不同的葉片包角，依據選定的渣漿泵葉片的進出口半徑，通過螺線對數的計算[4]，可得到葉片的包角范圍為87°～122°，選擇葉片包角分別為90°、100°、110°及120°四種，設計過程中保持其他的參數如葉片進出口角、進出口半徑、葉片厚度等不變，可得到四種不同的葉片型線如圖1 所示。依據四種不同的葉片型線結構，可得到不同的葉輪形式。

圖1 不同包角的葉片型線結構

2 不同葉片型線結構對葉輪磨損的影響分析

2.1 不同葉片型線結構模型的建立

采用計算流體力學對葉片產生的磨損進行分析，通過Fluent 軟件進行流動的模擬仿真。依據葉輪的結構形式，建立四種不同葉片結構的葉輪，采用四面體非結構化網格進行模型網格劃分，為提高計算結果的準確性，對葉輪區域的網格進行加密處理，并對劃分后的網格進行網格無關性檢查，得到葉輪的網格模型如圖2 所示。

圖2 葉輪的網格劃分模型

湍流模型可分為直接和非直接兩種形式，非直接的湍流模型將各參數簡化后可得到近似的湍流方程，選用非直接的湍流模型，并進行改進，可達到適用于渣漿泵大區域及高應變的RNG 模型，適用于對渣漿泵進行內部流動模擬。采用改模型進行仿真分析，假定固體顆粒是離散分布，液體是連續的流體介質，兩者之間有明顯的速度差，溫度差別不大，并都可以進行檢測得到，兩者之間的作用力是等效的。

對葉輪的磨損性能進行分析，采用小功角和充蝕率的模型進行分析，從而可以對葉輪的磨損進行定量分析。模擬過程中壓力及速度的耦合作用采用simple算法進行耦合計算，可進行高效的計算。渣漿泵出口處流體介質的速度及壓力不可控制，選取自由出流的邊界條件進行模擬，工作過程中，內部產生的熱量較小，采用標準的壁面函數設定為無滑移和絕熱的方式，壁面的粗糙度為50μm。計算過程中的殘差值設定為10-5作為收斂標準，可保證計算結果的準確性及計算的效率，由此對不同的葉片結構造成的磨損進行分析。

2.2 不同葉片型線結構對葉輪的磨損分析

依據進行洗選的煤液的狀態，設定介質的固相濃度為7%，對四種不同包角的葉片型線結構的葉輪內部流場進行分析，得到不同葉片型線結構對葉輪的磨損特性的影響，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，相對原有的渣漿泵扭曲葉片，采用圓柱形的葉片對葉輪各部位的磨損強度有一定的增加，降低了葉輪整體的抗磨損特性；在葉輪不同的結構組成中，后蓋板位置的磨損最大，是影響葉輪磨損強度的主要因素，前蓋板位置處的磨損最小。分析四處磨損位置在不同的葉片包角中的變化，100°包角時的葉片的磨損強度最小，當包角大于100°時，葉輪的磨損均有一定程度的上升。

圖3 不同葉片型線結構葉輪平均磨損強度變化

為進一步分析葉片結構形式變化對渣漿泵性能的綜合影響，對不同葉片型線結構的渣漿泵的水力性能進行分析，可得到如圖4 所示的渣漿泵水力性能的變化曲線。從圖4 中可以看出，采用圓柱形葉片整體上對水力性能具有較大的提升，降低了渣漿泵的軸功率，提高了水力的效率，當葉片包角大于100°時，軸功率保持穩定，揚程和效率則隨著葉片包角的增加而增加。綜合圖3、圖4 可知，葉片的型線結構對渣漿泵的磨損及水力性能存在著制約，在提升性能的同時將導致葉輪的磨損加劇，從而影響葉輪的使用壽命。因此，在進行渣漿泵的設計及使用過程中，應從使用壽命考慮選擇渣漿泵的葉片結構及工作參數，保證設備使用的穩定可靠。

圖4 不同葉片型線結構水力性能的變化

3 結論

1）變角螺線設計的螺線型葉片可提高渣漿泵的水力性能，但降低了葉輪的磨損特性，四種不同的葉片包角中，以100°的葉片包角磨損量最小。

2）在進行渣漿泵的設計使用中，應綜合考慮葉輪的磨損及工作參數，從而保證設備的穩定可靠，提高煤炭洗選的效率。