曹曉勇

（上社煤炭有限責(zé)任公司地測防治水部， 山西 陽泉 045000）

引言

防爆礦用潛水泵集成了泵和電機，使其緊密合為一個單元。具有重量輕，噪音低，安裝方便，成本低且無需灌溉即可啟動的優(yōu)點，使該泵具有廣泛的應(yīng)用范圍。葉輪和蝸殼是礦用潛水泵的主要部件。內(nèi)部流動渦流場主要受噴流尾流的影響，在葉輪出口處與動態(tài)靜態(tài)干擾葉輪葉片和蝸舌之間效應(yīng)不均勻的內(nèi)部流動均顯示為不穩(wěn)定的時間流動域，這增加了泵中的能量，降低了泵的效率。同時，造成流動噪音并且蝸殼的振動明顯，泵的結(jié)構(gòu)在極端情況下可能被破壞。因此，研究內(nèi)部流場設(shè)計對于工程潛水泵蝸殼在設(shè)計和性能上的改進(jìn)是非常有價值的，煤礦中氣體含煤氣或其他的爆炸物，防爆潛水泵用于排水，所以其安全性和可靠性非常重要。防爆潛水礦用泵內(nèi)馬達(dá)采用多出口蝸殼，其中的壓力波動分析對于礦井泵合理設(shè)計具有重要意義。本文采用BQW50型潛水泵作為模型，泵蝸殼有三個出口。蝸殼與三個出口配合，葉輪和流體結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致壓力動態(tài)應(yīng)力下蝸殼的特性達(dá)到最優(yōu)化。此外，蝸殼中不同位置的特征也相對不同。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

潛水礦用泵與內(nèi)部電機礦井防爆潛水泵的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可見，液體首先通過底座的過濾器進(jìn)入泵體，然后第一葉輪或多個葉輪加壓，流入其中的徑向擴散器液體流體速度減少、壓力能量增加，最終流體從蝸殼流出并通過環(huán)形通道圍繞電機到達(dá)出口法蘭泵。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MT/T671—2005的規(guī)定，泵過濾器總數(shù)的有效面積應(yīng)是作為泵吸入口的三倍大，同時過濾器的最大尺寸孔中的最小尺寸應(yīng)小于75%的流動口徑。在保證機械性能的前提下，基座的空隙率應(yīng)該增加到過濾孔直徑的極限，其中可以降低流體通過過濾器的孔流速，從而減少水力損失，提高液壓效率。泵蓋的高度應(yīng)大于吸入口直徑的1.5倍，這樣可以使得流體通過其進(jìn)入第一個葉輪損失較小。

圖1 煤礦礦井防爆泵的結(jié)構(gòu)示意圖

參照泵的水力模型與設(shè)計葉輪和徑向擴散器通過使用速度系數(shù)，由于礦井水泵的水力效率比普通泵低，設(shè)計礦用泵安全限度時應(yīng)該要大一些。對于潛水泵比轉(zhuǎn)速低，葉輪出口寬度要適當(dāng)增加以滿足葉輪可以輸送含有大量雜質(zhì)的污水的需求。

同時，為了使“水頭曲線”下降，葉輪的出口導(dǎo)流片交錯角度應(yīng)該減少。使用導(dǎo)輪導(dǎo)葉防爆潛水泵，因為正向?qū)Я髌头聪驅(qū)Я髌且粋€連續(xù)的整體，從入口形成一個小的分離流道正導(dǎo)流片到反向?qū)Я髌某隹谝约耙后w的入口每個流動的節(jié)點都不能混合。雖然這個過程流道導(dǎo)流片壓力較大，但是整體體現(xiàn)的水力損失小。

蝸室可以改變液體的動能，從最后一個葉輪轉(zhuǎn)換成壓力能量，并且蝸殼的出口數(shù)量通常為3～6個，如下頁2圖所示。

在許多出口將增加液壓，使得摩擦損失減少，出口過多可能會使徑向尺寸減小全流量轉(zhuǎn)輪過大。軸向?qū)挾戎饾u增大，應(yīng)保持徑向尺寸和軸向尺寸保持不變，擴散角度為6°～10°。當(dāng)流體向上轉(zhuǎn)動時，出口面積應(yīng)增加，盡可能地降低動力能量，并增加壓力能量。

圖2 常見的蝸室構(gòu)型示意圖

2 礦井防爆泵的結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化設(shè)計仿真及分析

葉輪和蝸殼中的液體流動基于雷諾平均N-S方程進(jìn)行模擬，K-§模型，有限體積法和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格被選為水網(wǎng)格化葉輪和蝸殼，同時GGI拼接網(wǎng)格技術(shù)用于葉輪和蝸殼之間。對于給定負(fù)載下的強度分析，最為有效的方法是有限元方法。有限元方法首先需要確定剛度矩陣和每個單元的質(zhì)量矩陣，然后重新連接每個單元與原來的結(jié)構(gòu)，使之變成一個整體的有限元方程，使用動態(tài)平衡條件和邊界條件包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、結(jié)構(gòu)阻尼矩陣、結(jié)構(gòu)剛度矩陣、離心式力載荷矢量、等效節(jié)點在結(jié)構(gòu)表面上載荷向量、等效的節(jié)點初始結(jié)構(gòu)力引起的載荷矢量、節(jié)點集中力量矢量等參數(shù)[1]。

通過Pro/E軟件制作蝸殼的三維模型，并且該三維模型通過使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。蝸殼的選擇材料是QT600-3，其彈性模量為150 GPa，泊松比為0.3，密度為7 300 kg/m3，屈服強度為370 MPa。

通過計算可以看出，隨著計算中階的增加，蝸殼的振動頻率逐漸增加，并且二階頻率接近三階，而頻率之間也有很大的差異。

通過使用差值法分析流固耦合，在設(shè)計流程中表面上的壓力是通過穩(wěn)定分析得到的，蝸殼通過螺栓連接，因此部件的組合表面作為固定側(cè)處理。圖3分別顯示等效應(yīng)力分布，這反映了最大壓力大約為36.12 MPa并發(fā)生在連接處之間蝸殼舌板和葉輪蓋板上，而從徑向到軸向角落方向存在更大的壓力，在圖3中的環(huán)中標(biāo)出。從圖3還可以看出，最大位移（0.009 mm）與QT600-3的材料有關(guān)，出現(xiàn)在前面的前蓋板上蝸舌[2-3]。

流體-固體相互作用通過網(wǎng)格的交互耦合計算，變形蝸殼的位移數(shù)據(jù)傳遞給流體，三維非定常湍流計算的區(qū)域在設(shè)計流量下制作，從而實現(xiàn)獲得蝸殼中的壓力波動預(yù)測，考慮流體-固體相互作用效應(yīng)。在本文中時間步長取為0.000 6 s，葉輪轉(zhuǎn)動每個時間步10°。四個監(jiān)測點是設(shè)置在蝸殼中，該泵的轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，葉輪葉片數(shù) Z=4，其軸頻率 T=50 Hz，所以葉片頻率f=ZT=4×50=200 Hz。

圖3 礦井防爆泵的結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化結(jié)果

通過對壓力系數(shù)進(jìn)行FFT變換，每個監(jiān)測點的壓力變化譜在每個監(jiān)控點均可獲得，從計算中可以看出，因為蝸殼流道入口處的流動受到影響嚴(yán)重受到葉輪外流的影響，監(jiān)測點P1處的幅度大于另一個監(jiān)測點。當(dāng)最大的頻譜幅度發(fā)生時，所有監(jiān)測點的頻率約200 Hz，這說明了壓力的基本頻率蝸殼的波動由葉輪葉片頻率決定的。第二頻率在監(jiān)測點P1是400 Hz，而在其他監(jiān)測點是0[4]。

3 結(jié)論

1）本文基于BQW50型礦用泵設(shè)計的新型內(nèi)置馬達(dá)防爆潛水礦用泵，選用有三個出口的蝸殼。

2）通過對葉輪和流體-結(jié)構(gòu)相互作用的分析，得到了蝸殼下的應(yīng)力動態(tài)特性。從動態(tài)特性可看出：最大壓力出現(xiàn)在蝸殼舌頭和蓋子之間的連接處，而最大應(yīng)變出現(xiàn)在在蝸殼舌頭前面的圓盤處。在考慮流體固體耦合作用機制的情況下，這個結(jié)論表明壓力波動且葉輪壓力與蝸殼內(nèi)壓力之間沒有共鳴。