王艷春

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程（大同）有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003）

引言

渣漿泵是進(jìn)行煤炭洗選的常用設(shè)備，目前渣漿泵的效率普遍較低，這是由于對(duì)渣漿泵的設(shè)計(jì)尚沒(méi)有成熟的基礎(chǔ)理論[1]，多采用經(jīng)驗(yàn)公式、速度比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和流體力學(xué)的發(fā)展，針對(duì)渣漿泵的結(jié)構(gòu)采用流體仿真的形式進(jìn)行優(yōu)化，成為重要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式[2]。葉輪葉片作為渣漿泵的關(guān)鍵部件，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的葉輪葉片對(duì)渣漿泵的水力性能進(jìn)行分析，從而優(yōu)化渣漿泵的結(jié)構(gòu)，以提高其性能指標(biāo)，提高洗選煤的質(zhì)量[3]。

1 不同結(jié)構(gòu)形式渣漿泵葉輪葉片設(shè)計(jì)

以進(jìn)行洗選煤作業(yè)的某型號(hào)渣漿泵為例，其水力參數(shù)為額定流量400 m3/h、額定揚(yáng)程為47 m、額定轉(zhuǎn)速980 r/min，葉輪的主要參數(shù)為進(jìn)口直徑210 mm、出口直徑540 mm、出口的寬度70 mm、葉片數(shù)量5、蝸殼的直徑553 mm、進(jìn)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(duì)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(jìn)口的安裝角對(duì)渣漿泵的水力性能具有重要的影響。葉片出口安裝角對(duì)渣漿泵的揚(yáng)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(yáng)程[5]，但會(huì)引起葉片間的流道變短，增加水力損失，容易引起揚(yáng)程-流量曲線的駝峰，影響泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。

依據(jù)現(xiàn)有的葉輪葉片結(jié)構(gòu)對(duì)渣漿泵的葉輪葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持原始結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改變?nèi)~輪葉片的結(jié)構(gòu)及葉型來(lái)提高渣漿泵的水力性能[6]。針對(duì)葉輪葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)及葉型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為更好對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，進(jìn)行兩種方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于渣漿泵在運(yùn)行過(guò)程中存在著一定的損失，在進(jìn)行葉輪優(yōu)化時(shí)，保證渣漿泵具有一定的揚(yáng)程裕量，為提高渣漿泵的揚(yáng)程，將葉輪的直徑設(shè)計(jì)增加為556 mm，將葉輪的出口寬度減小為60 mm，葉輪的進(jìn)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(duì)A 方案優(yōu)化過(guò)程中的不足，增加葉輪的直徑后會(huì)導(dǎo)致泵軸的功率增加，容易造成運(yùn)行過(guò)程中資源的浪費(fèi)，采用B 方案優(yōu)化時(shí)，保持原有的葉輪直徑不變，修改其他的葉型參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[7]，對(duì)葉片的進(jìn)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(jié)構(gòu)的渣漿泵水力性能分析

2.1 模型的建立

針對(duì)渣漿泵的原始葉輪葉片及優(yōu)化設(shè)計(jì)的A、B兩種結(jié)構(gòu)形式的葉輪葉片，采用有限元流體分析的形式對(duì)渣漿泵的水力性能進(jìn)行分析。依據(jù)葉輪葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(dǎo)入到ANSYS CFD 分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。由于葉輪的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用適用性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，并對(duì)葉片的頭部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[9]。渣漿泵的入口段及出口段是進(jìn)行分析所需的計(jì)算域，對(duì)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分[10]。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證之后，得到渣漿泵的計(jì)算模型如下頁(yè)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(shù)值分析模型示意圖

對(duì)渣漿泵進(jìn)行計(jì)算分析中，設(shè)定內(nèi)部為不可壓縮的流體進(jìn)行湍流，控制方程采用質(zhì)量守恒連續(xù)方程，湍流模型采用N-S 方程。進(jìn)口邊界為質(zhì)量流量的進(jìn)口，出口為自由流體，模擬介質(zhì)采用清水，室溫20 ℃，葉輪水體為旋轉(zhuǎn)域[11]，不同的計(jì)算域之間采用常規(guī)交界面，內(nèi)部設(shè)定為光滑的水力壁面[12]，對(duì)不同的葉輪葉片結(jié)構(gòu)形式的渣漿泵水力性能進(jìn)行模擬。

2.2 模擬結(jié)果分析

對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)形式葉輪葉片的渣漿泵性能在不同的工況下進(jìn)行模擬分析，選取六種分析工況（設(shè)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(duì)渣漿泵的水力性能進(jìn)行定常數(shù)模擬計(jì)算，得到三種不同結(jié)構(gòu)形式渣漿泵的能量特性，進(jìn)行后處理作圖得到渣漿泵的揚(yáng)程-流量曲線如圖2 所示。

圖2 渣漿泵揚(yáng)程-流量曲線

從圖2 中可以看出，優(yōu)化后的葉輪葉片結(jié)構(gòu)揚(yáng)程相對(duì)原始葉片結(jié)構(gòu)均有所提高，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，揚(yáng)程分別提高5.1 m 和3.7 m，方案A 的揚(yáng)程增加量較大，且隨流量的變化呈一致性的下降趨勢(shì)；方案B 的揚(yáng)程在0.8Q 之后呈較好的下降趨勢(shì)，在流量較小時(shí)，出現(xiàn)一定的駝峰，揚(yáng)程整體的變化數(shù)值較小，對(duì)渣漿泵的運(yùn)行穩(wěn)定性影響較小。

在不同的工況下對(duì)渣漿泵的效率進(jìn)行分析，得到三種不同結(jié)構(gòu)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(jīng)過(guò)優(yōu)化后的葉輪葉片效率相對(duì)原始葉片結(jié)構(gòu)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(duì)原始葉片結(jié)構(gòu)提升5.9%；隨著流量的增加，三條曲線的變化趨勢(shì)一致，均呈上升趨勢(shì)，優(yōu)化后的曲線具有較高的高效區(qū)，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(shì)減弱，三者的效率區(qū)域一致。

圖3 渣漿泵效率-流量曲線

在不同的工況下對(duì)渣漿泵的軸功率進(jìn)行分析，得到三種不同結(jié)構(gòu)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(shì)，且優(yōu)化后的葉輪葉片結(jié)構(gòu)軸功率均大于原始葉片結(jié)構(gòu)的軸功率。在三種結(jié)構(gòu)形式中，A 方案的軸功率在不同的工況下均最大，在標(biāo)準(zhǔn)流量下比原始葉片結(jié)構(gòu)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(yùn)行過(guò)程中消耗的軸功率較大。

圖4 渣漿泵軸功率-流量曲線

3 結(jié)論

渣漿泵是進(jìn)行煤炭洗選的重要設(shè)備，在渣漿泵的使用過(guò)程中，葉輪葉片的結(jié)構(gòu)對(duì)泵的水力性能具有重要的影響，從而影響洗選煤的質(zhì)量。針對(duì)渣漿泵的原始葉輪葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別改變不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到A、B 兩種不同的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的葉輪葉片渣漿泵的性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

1）經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的揚(yáng)程及效率相對(duì)原始葉片均有所提高，其中，A 方案的揚(yáng)程和效率提高5.1 m 和3.5%，B 方案的揚(yáng)程和效率提高3.7 m 和3.3%。

2）優(yōu)化后的葉輪葉片消耗的軸功率也有所提高。