彭光杰，周國新，胡自強(qiáng)，周紅

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 湖南省特種泵工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410100; 3. 江西耐普礦機(jī)新材料股份有限公司 江西 上饒 334000)

渣漿泵主要用于固液兩相流輸送，廣泛運(yùn)用在采礦、冶金、疏浚、建筑和電力等復(fù)雜工況下[1].因渣漿泵的輸送介質(zhì)中含有一定的顆粒，在運(yùn)行過程中會引起腐蝕和磨損，導(dǎo)致泵內(nèi)部嚴(yán)重泄漏，因此，背葉片被廣泛應(yīng)用在渣漿泵中，用于減少前后泵腔的泄漏.背葉片屬于非接觸型流體動力密封[2].泵在正常運(yùn)行時(shí)，對于帶有背葉片的葉輪，背葉片與葉輪一同旋轉(zhuǎn)，當(dāng)葉輪出口壓力小于背葉片旋轉(zhuǎn)的離心力時(shí)，則能起到密封的效果，減少泄漏.很多泵在設(shè)計(jì)中利用背葉片平衡軸向力，但前后蓋板上背葉片的增加會導(dǎo)致功耗增大，降低泵的運(yùn)行效率.因此，合理的背葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很重要的.對于輸送固液兩相介質(zhì)的離心泵，常采用背葉片設(shè)計(jì)來延長泵的使用壽命.

目前，國內(nèi)外對固液兩相流開展了很多研究.安一超等[3]采用k-εRealizable湍流模型與離散相模型，分析了渣漿泵固液兩相流場分布及其前泵腔磨損特性，結(jié)果與實(shí)際的泵體磨損情況完全一致.黃劍峰等[4]應(yīng)用代數(shù)滑移混合多相流模型，對水輪機(jī)全流道進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示顆粒分布與真機(jī)磨損一致.ASLAM等[5]分析水輪機(jī)磨損量受不同顆粒的濃度、尺寸、形狀，水輪機(jī)部件材料及其運(yùn)行時(shí)間的影響， 得出CFD分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符.曹衛(wèi)東等[6]采用Lagrangian的多相流模型，固液耦合選用Particle模型且基于非均相模型，重點(diǎn)研究葉輪葉片、旋轉(zhuǎn)刀、固液兩相的流動特性以及固體顆粒的分布情況.

關(guān)于背葉片對平衡軸向力的影響，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了很多研究[7-8].何相慧等[9]研究了熔鹽泵的外特性、軸向力和內(nèi)部流場受不同結(jié)構(gòu)背葉片的影響.程效銳等[10]探討了螺旋離心泵背葉片數(shù)目和寬度對全流場及軸向力的影響，結(jié)果表明背葉片寬度對軸向力的影響更大.林玲等[11]分析了離心泵軸向力和泵性能受背葉片和蓋板間間隙的影響，發(fā)現(xiàn)間隙的增大會引起泵的性能下降，但軸向力先減小后增大.CAI等[12]選用Particle模型來分析不同形狀背葉片對泵磨損特性和渦度的影響，并根據(jù)渦度變化來分析離心泵的磨損情況.文中將重點(diǎn)研究背葉片對于渣漿泵磨損特性的影響，為延長渣漿泵的使用壽命提供一定的參考.

1 基本參數(shù)及計(jì)算方案

1.1 重型渣漿泵基本參數(shù)

文中采用的重型渣漿泵主要應(yīng)用于選礦廠的磨礦回路，其設(shè)計(jì)流量8 200 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程30 m，轉(zhuǎn)速260 r/min，葉輪進(jìn)口直徑670 mm，葉輪直徑1 750 mm，葉片數(shù)5，蝸殼出口直徑660 mm.它的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，為離心式雙層殼體橡膠內(nèi)襯離心式渣漿泵.

圖1 重型渣漿泵結(jié)構(gòu)圖

此渣漿泵在小流量工況下運(yùn)行，考慮到與設(shè)計(jì)工況相比，小流量工況下會產(chǎn)生很大的回流，因此，為了延長護(hù)套的使用壽命，在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上延伸蝸殼的隔舌，以減少流量，發(fā)揮節(jié)流效應(yīng)，并稱此種蝸殼為“小流量蝸殼”，如圖2a所示；通過減小葉輪的進(jìn)口直徑和出口寬度，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，如圖2b所示，圖中D1,D2為2種軸面流道的進(jìn)口尺寸；b1,b2為2種流道出口的尺寸.節(jié)流設(shè)計(jì)是考慮到渣漿泵在實(shí)際應(yīng)用中會在偏工況條件下運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行在小流量工況時(shí)，原始結(jié)構(gòu)的口徑相對流量偏大，隔舌附近產(chǎn)生明顯的回流，常通過延伸隔舌的位置來減少隔舌處產(chǎn)生的回流；另外，還可以通過縮小葉輪的出口寬度來縮小整體流道，從而使回流變少.將蝸殼的隔舌位置向內(nèi)側(cè)偏移，縮小第一斷面附近的高度，通過縮小葉輪的進(jìn)口直徑和出口寬度進(jìn)一步縮小葉輪內(nèi)部流道，從而減少泵內(nèi)部回流.

圖2 小流量工況下重型渣漿泵的設(shè)計(jì)

背葉片是渣漿泵的常用設(shè)計(jì)，用來減少前后泵腔內(nèi)液體的泄漏，減輕壁面磨損.如圖3所示，文中前后背葉片均設(shè)計(jì)為直葉片形狀，葉片數(shù)均為15.

圖3 背葉片幾何形狀

1.2 三維物理模型及網(wǎng)格

考慮到渣漿泵運(yùn)行時(shí)前后背葉片的局部磨損，繪制了全流道水力模型進(jìn)行模擬分析，主要過流部件可分為前腔、后腔、葉輪、蝸殼和進(jìn)出水管道.為了獲得較好的模擬結(jié)果，選用ICEM對三維模型(如圖4所示)進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

圖4 全流道三維模型

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

各部件采用六面體網(wǎng)格，對水力模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證.基于所選的5種網(wǎng)格，在流量8 000 m3/h、轉(zhuǎn)速260 r/min工況下分別進(jìn)行定常模擬，結(jié)果如表1所示,表中N為計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，H為揚(yáng)程.從表中可見H的波動范圍很小，在2.40×106網(wǎng)格后趨于穩(wěn)定，因此，選取網(wǎng)格總數(shù)為2.40×106，再進(jìn)行后續(xù)的泵內(nèi)部流場固液兩相流模擬.

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.4 計(jì)算工況與邊界條件

考慮文中研究對象所輸送介質(zhì)的固體體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%，在固液兩相流模擬中選取CFX中的Particle模型，其中，實(shí)際運(yùn)行工況為0.6Q，固相顆粒的密度和粒徑分別設(shè)置為26 00 kg/m3,0.2 mm；連續(xù)相選用RNGk-ε湍流模型，離散相選用零方程模型，固相體積分?jǐn)?shù)高于20%的情況下曳力模型常選用Gidaspow模型，顆粒體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0.5.對流體相和顆粒相分別采用無滑移條件和自由滑移條件.應(yīng)用SIMPLE算法，求解壓力速度耦合，在交界面處采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法.計(jì)算采用以下假設(shè)：① 流體相連續(xù)、不可壓縮；② 顆粒形狀均為球體；③ 泵內(nèi)部為定常流動.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 節(jié)流設(shè)計(jì)對泵外特性的影響

針對小流量工況的節(jié)流設(shè)計(jì)在大流量工況點(diǎn)，并未對揚(yáng)程造成太大影響(見圖5)；但在小流量下?lián)P程明顯下降，0.25Q下?lián)P程損失最嚴(yán)重，高達(dá)10%，在0.60Q下為3%，原因是小流量工況下內(nèi)部流場流動更不規(guī)則、更不穩(wěn)定.而設(shè)計(jì)修改對效率基本沒有影響：縮小進(jìn)口后，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近效率略有上升；采用節(jié)流設(shè)計(jì)后小流量工況下泵的性能有所下降，但在0.60Q工況下影響很小，不至于影響其性能需求.

圖5 節(jié)流設(shè)計(jì)對外特性的影響

Fig.5 Influence of throttling design on hydraulic characteristics

2.2 小流量工況運(yùn)行對離心泵內(nèi)部流場的影響

渦量可以清晰地表達(dá)內(nèi)部流場的旋渦.圖6為設(shè)計(jì)流量和小流量點(diǎn)中間軸截面內(nèi)部流場截面的渦量云圖,圖中Ω為固相渦量.從圖中可以看到，在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，內(nèi)部渦量分布較均勻，葉輪出口處的流動較不平穩(wěn)；但在小流量點(diǎn)，葉輪和蝸殼流道內(nèi)部的渦量明顯增大，內(nèi)部流動呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性.

圖6 不同工況下內(nèi)部流場渦量對比

Fig.6 Comparison of internal flow vorticity under different working conditions

圖7為中間軸截面處內(nèi)部流線的軌跡,圖中v為固相流速.從圖中可以看出，小流量工況下流道內(nèi)部擾動更明顯，葉輪內(nèi)部有明顯的旋渦，并且在蝸殼與葉輪的動靜交界面處，流動速度明顯高于設(shè)計(jì)工況.

圖7 不同工況下中間軸截面流線對比

Fig.7 Comparison of intermediate shaft cross-section streamline under different working conditions

2.3 前后背葉片對壓水室局部磨損的影響

2.3.1 固相體積分?jǐn)?shù)的分布

是否設(shè)計(jì)有前后背葉片對壓水室內(nèi)顆粒運(yùn)動影響很小,如圖8所示，圖中φ為固相體積分?jǐn)?shù).由于顆粒主要分布在壓水室的出口段，壓水室能夠?qū)⑷~輪流出介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，因此，顆粒隨著流體進(jìn)入壓水室其速度會下降，顆粒在離心力的作用下集中在壓水室的出口段.壁面的固相體積分?jǐn)?shù)決定著固相對壁面的磨損程度，體積分?jǐn)?shù)越大，固相對壁面的磨損次數(shù)越多；壁面的滑移速度直接決定單個顆粒對壁面的磨損能力，從側(cè)面反映泵內(nèi)過流部件的磨損情況[13].

圖8 蝸殼壁面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

Fig.8 Particle volume fraction distribution on wall of volute

2.3.2 固相滑移速度分布

Finnie磨損模型是最早的磨損預(yù)估模型，其表達(dá)式中壁面的磨損率與速度的冪次方成正比，因此，顆粒的滑移速度會對壁面產(chǎn)生很大的磨損.為了進(jìn)一步深入分析前后背葉片對壓水室磨損的影響，將監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在背葉片與壓水室的交界面上，如圖9所示.以圖9a中所指起始點(diǎn)為初始位置，開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，均勻劃分360°為60個點(diǎn).圖9b所示為前后背葉片與壓水室交界處的第1個交點(diǎn)，分別為起始點(diǎn)1和起始點(diǎn)2，兩者的空間位置分別為(0.927,0.071,0.190)和 (0.927,0.071,-0.215).

圖9 壓水室與前后背葉片交界面取樣點(diǎn)

Fig.9 Interface sampling points between pressure chamber and front and back blades

帶背葉片渣漿泵隔舌附近流場中的固體相滑移速度明顯快于其他位置，前背葉片側(cè)顆粒速度更快，而背葉片去除后速度明顯下降,如圖10所示.一般情況下，當(dāng)顆粒從葉輪進(jìn)入壓水室后，壓水室將動能轉(zhuǎn)換為壓力能，顆粒速度會減慢，但小流量工況下隔舌附近的回流增加，隔舌附近顆粒增多；在壓水室中，隔舌與第一斷面附近的流體動能高于其他位置，并且在前后背葉片的影響下，固體相出現(xiàn)了很快的滑移速度.而顆粒速度的增快與顆粒數(shù)目的增大，都會加劇隔舌附近壁面的磨損.從圖10中可以看出，前側(cè)的固相流速更快，因此前護(hù)板側(cè)會產(chǎn)生更嚴(yán)重的局部磨損.

圖10 取樣點(diǎn)顆粒速度分布

2.4 前背葉片對前腔局部磨損的影響

由于前腔與進(jìn)口流道相連，因此前背葉片的設(shè)計(jì)可以有效阻止固體顆粒向吸入口移動.而無背葉片的設(shè)計(jì)，則會引起前腔與進(jìn)口段的流量增大，一方面增大泵的水力損失；另一方面，前腔內(nèi)顆粒增多，將導(dǎo)致前護(hù)板受撞擊頻率增大，從而加速磨損.考慮到前腔內(nèi)側(cè)靠近進(jìn)口處間隙很小，一旦旋渦很大，就會造成很嚴(yán)重的磨損.前背葉片去除后，前腔內(nèi)側(cè)的旋渦強(qiáng)度明顯增大，且范圍擴(kuò)大，可能加劇前護(hù)板的磨損，如圖11所示.

圖11 前腔截面渦量分布

圖12為前腔內(nèi)固相速度矢量圖.從圖中可以看出，帶前背葉片的前腔內(nèi)部產(chǎn)生了更多的旋渦.由于背葉片的存在，礦漿不能直接從前后腔間隙中流出，而在間隙間形成不同程度的旋渦，逆向的流動阻止前后腔漿體的流入，從而減少了前腔中礦漿的泄漏量.

圖12 前腔內(nèi)固相速度矢量圖

圖13為前護(hù)板側(cè)固相體積分?jǐn)?shù)分布圖.從圖中可以看出，由于背葉片的存在，前護(hù)板壁面顆粒速度明顯下降，因此直接去除前背葉片會導(dǎo)致前腔泄漏量激增，輸送固液兩相介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損.前護(hù)板內(nèi)側(cè)帶有弧度的設(shè)計(jì)，使前護(hù)板內(nèi)側(cè)的固相體積分?jǐn)?shù)降低.由于固體顆粒主要存在于上部，內(nèi)側(cè)距離(3 mm)比上部間距(11 mm)小很多，而內(nèi)側(cè)與葉輪進(jìn)口處流動相互干擾，其渦量比上部高且顆?；扑俣瓤?，故內(nèi)側(cè)磨損比上部嚴(yán)重.

圖13 前護(hù)板側(cè)固相體積分?jǐn)?shù)分布

Fig.13 Volume fraction distribution of solid phase in front guard plate

3 磨損試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，在選礦廠的Sabc磨礦回路中，分別對有無前后背葉片的重型渣漿泵進(jìn)行了磨損試驗(yàn).

對于有前后背葉片的重型渣漿泵，進(jìn)行了在進(jìn)口流量5 000 m3/h下運(yùn)行850 h的磨損試驗(yàn)，其磨損后的拆檢結(jié)果如圖14所示，磨損位置用紅色標(biāo)記指出.從圖14a中可見，前護(hù)板上出現(xiàn)了明顯的局部磨損，位置靠近隔舌，整體磨損均勻；若不考慮局部磨損對渣漿泵水力性能的影響，泵的使用壽命預(yù)期可超過2 200 h；用于抵抗礦石磨損的前護(hù)套加厚部分已經(jīng)完全磨損.如圖14b所示，與泵前側(cè)相似，渣漿泵后腔壁面也產(chǎn)生了局部磨損，前側(cè)的磨損較后側(cè)更加嚴(yán)重.

圖14 前后腔壁面的局部磨損

文中將前后背葉片封填起來進(jìn)行無前后背葉片的試驗(yàn)，在相同條件下進(jìn)行磨損試驗(yàn)，如圖15所示.圖16為前護(hù)板的局部磨損.如圖中紅色標(biāo)記處所示，不帶背葉片的渣漿泵在隔舌附近壁面磨損均勻，因此前后背葉片的存在引起了護(hù)套與前后護(hù)板交界處的局部磨損，但前后背葉片的去除引起了前腔泄漏量的增大，使得前護(hù)板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損.

圖15 填封前后背葉片

圖16 前護(hù)板的局部磨損

將實(shí)際磨損情況與模擬結(jié)果進(jìn)行對比.在帶有背葉片的情況下，模擬中帶背葉片的水力模型在隔舌附近壁面處，固體相滑移速度明顯增大，由此引起了嚴(yán)重的局部磨損；而從試驗(yàn)中可以看出，隔舌附近壁面產(chǎn)生了影響過流件整體使用壽命的局部磨損.去除背葉片后，模擬結(jié)果顯示，水力模型隔舌附近的固體相滑移速度明顯下降，前腔的泄漏量急劇增大，導(dǎo)致更多顆粒進(jìn)入前腔，使前護(hù)板與進(jìn)口交界處產(chǎn)生局部磨損，從試驗(yàn)結(jié)果也可以得出，背葉片去除后前護(hù)板內(nèi)側(cè)的磨損非常嚴(yán)重.

4 結(jié) 論

1) 離心泵在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，可能會產(chǎn)生局部磨損,但在小流量工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部流場在偏工況下的不穩(wěn)定性，局部磨損會更加嚴(yán)重，縮短過流部件的使用壽命.

2) 前后背葉片的設(shè)計(jì)常用來阻礙泵輸送的介質(zhì)進(jìn)入泵腔，減少泵的水力損失.泵在小流量工況運(yùn)行時(shí)，有前后背葉片的離心泵在隔舌附近壁面產(chǎn)生明顯的局部磨損.前后背葉片雖然能有效減少前腔的泄漏量，但可能會產(chǎn)生負(fù)面作用.

3) 不帶前背葉片的離心泵，其前腔泄漏量明顯大于帶有背葉片的情況，前腔內(nèi)部進(jìn)入的顆粒增多，在前護(hù)板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)劇烈的磨損.而背葉片的去除能降低隔舌附近的局部磨損，延長泵的使用壽命，因此在調(diào)整結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮去除后背葉片，保留前背葉片.