渣漿泵葉片結構形式對其水力性能的影響分析

王艷春

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

引言

渣漿泵是進行煤炭洗選的常用設備，目前渣漿泵的效率普遍較低，這是由于對渣漿泵的設計尚沒有成熟的基礎理論[1]，多采用經驗公式、速度比等方法進行設計。隨著計算機仿真技術和流體力學的發展，針對渣漿泵的結構采用流體仿真的形式進行優化，成為重要的結構優化方式[2]。葉輪葉片作為渣漿泵的關鍵部件，針對不同結構形式的葉輪葉片對渣漿泵的水力性能進行分析，從而優化渣漿泵的結構，以提高其性能指標，提高洗選煤的質量[3]。

1 不同結構形式渣漿泵葉輪葉片設計

以進行洗選煤作業的某型號渣漿泵為例，其水力參數為額定流量400 m3/h、額定揚程為47 m、額定轉速980 r/min，葉輪的主要參數為進口直徑210 mm、出口直徑540 mm、出口的寬度70 mm、葉片數量5、蝸殼的直徑553 mm、進口寬度140 mm。渣漿泵的葉片入口安裝角由固體的顆粒粒度確定，不同的顆粒粒度對入口邊造成不同的磨損。渣漿泵的水力損失主要由葉輪及蝸殼的損失組成[4]，葉片進口的安裝角對渣漿泵的水力性能具有重要的影響。葉片出口安裝角對渣漿泵的揚程具有直接的影響作用，提高葉片的出口安裝角可以增加泵的揚程[5]，但會引起葉片間的流道變短，增加水力損失，容易引起揚程-流量曲線的駝峰，影響泵運行的穩定性。

依據現有的葉輪葉片結構對渣漿泵的葉輪葉片結構進行優化設計，在保持原始結構優點的基礎上，改變葉輪葉片的結構及葉型來提高渣漿泵的水力性能[6]。針對葉輪葉片的結構參數及葉型進行優化設計，為更好對比優化設計的效果，進行兩種方案的優化設計。

由于渣漿泵在運行過程中存在著一定的損失，在進行葉輪優化時，保證渣漿泵具有一定的揚程裕量，為提高渣漿泵的揚程，將葉輪的直徑設計增加為556 mm，將葉輪的出口寬度減小為60 mm，葉輪的進口安裝角由24°增加為28°，出口安裝角由19°減小為13.9°，由此得到的葉輪定為A 方案。針對A 方案優化過程中的不足，增加葉輪的直徑后會導致泵軸的功率增加，容易造成運行過程中資源的浪費，采用B 方案優化時，保持原有的葉輪直徑不變，修改其他的葉型參數進行結構優化[7]，對葉片的進口安裝角由24°增加為28°，出口安裝角由19°減小為14.9°，葉片頭部的倒圓由5 mm 減小為4 mm，由此得到的葉輪定為B 方案。

2 不同葉輪葉片結構的渣漿泵水力性能分析

2.1 模型的建立

針對渣漿泵的原始葉輪葉片及優化設計的A、B兩種結構形式的葉輪葉片，采用有限元流體分析的形式對渣漿泵的水力性能進行分析。依據葉輪葉片的結構參數，在三維建模軟件中分別建立三種葉輪的模型[8]，并建立葉輪的蝸殼模型，將其導入到ANSYS CFD 分析軟件中進行網格劃分處理。由于葉輪的結構較為復雜，采用適用性較強的非結構化四面體網格對模型進行網格劃分處理，并對葉片的頭部進行網格加密處理[9]。渣漿泵的入口段及出口段是進行分析所需的計算域，對計算域采用結構化的六面體網格進行劃分[10]。經網格無關性驗證之后，得到渣漿泵的計算模型如下頁圖1 所示，其中三種方案中僅需更換葉輪的模型即可。

圖1 渣漿泵數值分析模型示意圖

對渣漿泵進行計算分析中，設定內部為不可壓縮的流體進行湍流，控制方程采用質量守恒連續方程，湍流模型采用N-S 方程。進口邊界為質量流量的進口，出口為自由流體，模擬介質采用清水，室溫20 ℃，葉輪水體為旋轉域[11]，不同的計算域之間采用常規交界面，內部設定為光滑的水力壁面[12]，對不同的葉輪葉片結構形式的渣漿泵水力性能進行模擬。

2.2 模擬結果分析

對三種不同結構形式葉輪葉片的渣漿泵性能在不同的工況下進行模擬分析，選取六種分析工況（設定工況流量分別占額定流量Q 的0.4、0.6、0.8、1、1.2及1.4 倍）對渣漿泵的水力性能進行定常數模擬計算，得到三種不同結構形式渣漿泵的能量特性，進行后處理作圖得到渣漿泵的揚程-流量曲線如圖2 所示。

圖2 渣漿泵揚程-流量曲線

從圖2 中可以看出，優化后的葉輪葉片結構揚程相對原始葉片結構均有所提高，在標準工況下，揚程分別提高5.1 m 和3.7 m，方案A 的揚程增加量較大，且隨流量的變化呈一致性的下降趨勢；方案B 的揚程在0.8Q 之后呈較好的下降趨勢，在流量較小時，出現一定的駝峰，揚程整體的變化數值較小，對渣漿泵的運行穩定性影響較小。

在不同的工況下對渣漿泵的效率進行分析，得到三種不同結構形式渣漿泵的效率-流量曲線如圖3所示。從圖3 中可以看出，經過優化后的葉輪葉片效率相對原始葉片結構分別提高了3.5%和3.3%，在0.4Q 的工況下，方案B 的效率最高，相對原始葉片結構提升5.9%；隨著流量的增加，三條曲線的變化趨勢一致，均呈上升趨勢，優化后的曲線具有較高的高效區，且方案B 在小流量下的效率最高。隨著流量的增加，效率的上升趨勢減弱，三者的效率區域一致。

圖3 渣漿泵效率-流量曲線

在不同的工況下對渣漿泵的軸功率進行分析，得到三種不同結構形式渣漿泵的軸功率-流量曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，隨著流量的增加，軸功率呈直線上升的趨勢，且優化后的葉輪葉片結構軸功率均大于原始葉片結構的軸功率。在三種結構形式中，A 方案的軸功率在不同的工況下均最大，在標準流量下比原始葉片結構軸功率高6%。這是由于葉輪直徑的增加使得圓盤間的摩擦損失增加，在渣漿泵的運行過程中消耗的軸功率較大。

圖4 渣漿泵軸功率-流量曲線

3 結論

渣漿泵是進行煤炭洗選的重要設備，在渣漿泵的使用過程中，葉輪葉片的結構對泵的水力性能具有重要的影響，從而影響洗選煤的質量。針對渣漿泵的原始葉輪葉片結構進行一定的優化設計，分別改變不同的結構參數，得到A、B 兩種不同的優化結構。對三種不同結構的葉輪葉片渣漿泵的性能進行分析，結果表明：

1）經過優化設計后的揚程及效率相對原始葉片均有所提高，其中，A 方案的揚程和效率提高5.1 m 和3.5%，B 方案的揚程和效率提高3.7 m 和3.3%。

2）優化后的葉輪葉片消耗的軸功率也有所提高。