（流体机械及工程专业论文）矿用潜水电泵优化设计与试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着国内煤矿采掘业的蓬勃发展，矿用潜水电泵的需求量逐年递增，其主要 用于矿内输送含有沙子、泥浆、矿渣等固体介质的污水。由于这种特殊使用环境， 如果按照清水泵来设计，过流部件就会很容易发生磨损，泵在使用过程中就会表 现出寿命短、效率低的特点。要解决这一问题，不仅要使用高性能的耐磨材料， 更重要的是要对泵内的两相流动进行分析研究，按照两相流理论来进行水力设 计。因此，本文将从两相流理论入手，对矿用潜水电泵进行优化设计。主要研究 工作和成果如下： 1 、根据蔡保元两相流理论中提出的“进口堵塞 和“出口抽吸原理，选 择对固液两相流泵效率影响较大的三个因素：叶片进口冲角屈、叶片出口安放 角岛及叶片数z ，对以上三因素分别取3 个水平，采用l 9 ( 3 4 ) 正交表，得到9 个试验方案。 2 、对正交试验中9 个方案分别进行单相清水模拟和固液两相流模拟，相比 清水模拟而言，在两相流模拟中泵的效率和扬程都有所降低，通过极差值计算和 直方图可以看出，叶片出口安放角厥和叶片数z 在清水模拟和两相流模拟的最 优方案中取值不同。 3 、通过对正交试验中空白列的极差分析，可以得出对效率指标影响不大的 因素( 如本文中叶片包角妒、叶轮出口直径d 2 ) ，可根据实际情况作出调整，不 会影响试验结果分析。 4 、小固体颗粒在叶轮内集中分布于叶片工作面，并沿工作面向外运动，在 叶轮出口处以很小的出口角流出，部分颗粒会在叶片出口处与叶片工作面相撞， 会加剧叶片的磨损，因此在设计固液两相流泵叶轮时，历不易过大。 5 、履值的减小，可以改善泵的轴功率特性，减少泵因过载而烧毁电动机事 故的发生，提高了泵的稳定性。在这一点上，统一了两相流理论和饱和轴功率特 性。 6 、通过对全流场模型和非全流场模型的计算结果对比，发现口环泄漏和圆 盘摩擦损失对泵效率影响较大，经过样机试验，表明全流场模型计算结果与试验 值能更好的吻合。 江苏大学硕士学位论文 7 、基于f l u e n t 和正交试验，采用两相流理论对b q s 2 0 4 0 5 5 型泵进行优化 设计，在设计工况下，泵效率高于国家标准的规定值，达到了预期的目的。 关键词：矿用潜水电泵，固液两相流设计，数值模拟，正交试验，优化设计 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eb o o m i n gi n d u s t r yo fm i n i n g ，s u b m e r s i b l em i n i n gp u m pu s e di n p u m p i n gd o m e s t i cw a t e rc o n t a i n i n gs a n d 、s l a ga n do t h e rs o l i dm a t e r i a li n c r e a s e dy e a r b yy e a r b e c a u s eo ft h es p e c i a la p p l i c a t i o no c c a s i o n ，t h ef l u i dp a r t sa r ep r o n et o e r o s i o ni fd e s i g nb yp u r ew a t e rt h e o r y ，w h i c hs p e c i a l i z e di ns h o r tl i f e s p a na n dl o w e f f i c i e n c y t os o l v et h i sp r o b l e m ，i ti sn o to n l yt h eh i g h p e r f o r m a n c ew e a r - r e s i s t a n c e m a t e r i a l si sn e e d e d ，b u ta l s ot h eh y d r a u l i cd e s i g na c c o r d i n gt ot h et w o - p h a s ef l o w t h e o r y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ro p t i m i z et h eh y d r a u l i cd e s i g nf r o mt h et w o p h a s ef l o w t h e o r y t h em a i nr e s e a r c h w o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h et w o - p h a s ef l o wt h e o r yo f ”i m p o r tp l u g ”a n d ”e x p o r t p u m p i n g ”r a i s e db yc a ib a o - y u a n ，t h r e em a i nf a c t o r s ：i n l e tb l a d ea t t a c ka n g l e 鸲， o u t l e tb l a d ea n g l ep 2a n dn u m b e ro fb l a d e sz ，w e r ec h o s e nt op u r s u eo r t h o g o n a lt e s t n i n et e s ts c h e m e sw e r ea c q u i r e db yc h o o s i n g3l e v e l st ot h ep a r a m e t e r ss t a t e da b o v e b yu s i n gi _ 9 ( 3 4 ) o r t h o g o n a lt a b l e 2 s i n g l ep h a s ep u r ew a t e ra n ds o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ef l o ws i m u l a t i o nw e r e c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h en i n es c h e m ed e f i n e db yo r t h o g o n a lt e s t c o m p a r e dw i t l l s i n g l ep h a s es i m u l a t i o n ，t h eh e a da n dp o w e rd r o p p e di nt w op h a s es i m u l a t i o n t h e o u t l e tb l a d ea n g l ep 2 a n dn u m b e ro fb l a d e szw e r ed i f f e r e n ta tt h e i rb e s ts c h e m e s f r o mt h er a n g ec a l c u l a t i o na n dh i s t o g r a mp l o t 3 t h r o u g hb l a n kc o l m n nr a n g ea n a l y s i si nt h eo r t h o g o n a lt e s t ，t h em i n o rf a c t o r s s u c ha sb l a d ew r a p p i n ga n g l e 够, ，i m p e l l e ro u t l e td i a m e t e rd 2w h i c hc o u l db ea d j u s t e d a c c o r d i n g t oa c t u a ls i t u a t i o nw i t h o u ta f f e c t i n gt h ep u m pt e s tr e s u l t si sa c q u i r e d 4 s m a l ls o l i dp a r t i c l e sc o n c e n t r a t e do nt h ei m p e l l e rp r e s s u r es i d e ，m o v et ot h e o u tp e r i p h e r a la l o n gt h ep r e s s u r es i d e ，a n de x i ta tt h ei m p e l l e ro u t l e tw i t has m a l lf l o w a n g l e s o m ep a r t i c l e si nt h ed e p a r t u r eo ft h ei m p e l l e rp r e s s u r es i d ec o l l i d ew i t ht h e b l a d e sp r e s s u r es i d e ，a n di n c r e a s e st h ei m p e l l e re r o s i o n t h e r e f o r e ，i nt h ed e s i g no f s o l i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp u m p ，t h eo u t l e tb l a d ea n g l e 尾s h o u l dn o tb et o ol a r g e 5 t h ed e c r e a s e m e n to f 反c o u l di m p r o v et h ep u m ps h a f tp o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ， r e d u c et h eo c c u r a n c eo fm o t o rf a i l u r ed u et oo v e r l o a da n di m p r o v et h ep u m p s t e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s t h et w o - p h a s ef l o wt h e o r ya n ds h a f tp o w e rs a t u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa r eu n i f i e da tt h i sp o i i l t 江苏大学硕士学位论文 6 t h r o u g ht h ec o m p a r s i o no ff u l la n dn o n f u l l f l o wf i e l ds i m u l a t i o n , i ti s d i s c o v e r e dt h a tt h ew e a rr i n gl e a k a g ea n dd i s cf r i c t i o nl o s sh a sam a j o ri n f l u e n c eo n p u m pe f f i d e n c y t h em o d e lp u m pt e s ts h o w st h a tt h ef u l lf l o wf i e l ds i m u l a t i o ni s m o r ec l o s et oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 7 b a s e do nf l u e n ta n do a h o g o n a lt e s t s ，w h e nt h et w op h a s et h e o r yw a sa p p l i e d i nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fb q s 2 0 4 0 - 5 5p u m p ，t h ed e s i g np o i n te f f i d e n c yi s h i g h e rt h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，a n dt h u st h eo p t i m i z a t i o np u r p o s e i sa c h i e v e d k e y w o r d s ： s u b m e r s i b l em i n i n gp u m p ，s o l i d - l i q u i dt w o p h a s e f l o wd e s i g n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a lt e s t ，o p t i m i z a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密甲。 学位论文作者签名：冰，弘久 l p | 。年6 日b 指导教师签名： 矽缈年易月弓日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：扪寿1 久 日期：少) 年乡月j 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。矿用 潜水电泵因其安装使用方便、造价低、运行噪音低等优点，被广泛应用于煤矿采 掘业。在排水过程中，输送的介质为含有固体颗粒的两相流体，输送用泵为固液 两相流泵，也称为杂质泵。 目前，矿用泵大多都是按照清水泵的方法来设计制造的，用清水泵来输送带 有固体颗粒的介质，会出现泵效率低，过流部件磨损严重，寿命短等问题。叶轮 是泵内磨损最严重的零件，特别是叶片的工作面的磨损，会严重影响到泵的性能。 因为过流表面磨损后凹凸不平，这不仅降低泵的效率，还恶化了水流的局部扰动 和空化的发展，叶轮的不对称磨损将造成机械的不平衡，泵振动加剧，轴承和轴 封的寿命缩短。与普通清水泵相比，矿用潜水泵在叶轮和蜗壳或导叶的设计过程 中，要考虑固体颗粒对泵内部流场的影响。如果简单按照清水泵设计的话，势必 会导致运行不稳定，容易发生磨损，且泵效率低。 目前，在矿用潜水电泵的水力部件设计中，还没有成熟的经验可寻。寿命短、 效率低这两个关键问题一直制约着矿用潜水电泵的研制和应用【1 1 。由于泵内部固 液两相流场还不能很好地被揭示，设计时基本还是按照清水泵设计方法并加以修 正，未能从固液两相流动来分析耐磨特性并建立相应的设计方法。因此，从提高 泵效率及减少过流部件磨粒磨损的角度，除了采用耐磨材料以外，还必须把两相 流理论运用到泵水力部件的设计当中，尤其是在磨损最为严重的叶轮设计中。 针对矿用泵目前所存在的问题，本文从固液两相流理论出发，按照蔡保元i 刎 提出的“进口堵塞”和出口“相对抽吸”的原理，分析叶片进口冲角崩、叶片 出口安放角厦和叶片数z 三参数对泵两相流性能的影响，找出矿用两相流泵与 清水泵的不同，以达到优化设计的目的。 1 2 固液两相流泵研究现状和发展趋势 两相流问题提出之前，杂质泵在研究和设计方面，只以清水泵流场为基础， 江苏大学硕士学位论文 对水泵存在的磨损和效率问题没有完善的解决办法。泵内两相流动问题是一个相 当复杂的科学难题，近年来，两相流动的问题也日趋得到重视，国内外的很多专 家学者分别从理论和实践上进行了相应的研究，并取得一定的成果。两相流理论 的提出，使固液两相流泵的研究在理论上发生了质的变化。 1 2 1 国内固液两相流泵研究现状 国内对两相流泵的研究最早起始于石家庄水泵厂，1 9 7 6 年，该厂采用6 p h 型灰渣泵，粒径吃= l m m ，比重p s = 2 5 8 9 c m 3 ，研究了浆体的浓度g 对泵的扬程、 效率及轴功率的影响【5 】。 1 9 8 2 年，蔡保元f 2 】提出两相流离心泵的畸变速度设计法，其基本思想是：把 固体颗粒作为水流运动的边界条件，固体颗粒的存在使液体的速度场产生了畸 变，在泵的入口，固体颗粒的速度小于液体速度；而在泵的出口，固体颗粒的速 度大于液体速度。在国内，应用畸变速度法设计两相流泵成功的例子有很多，顾 广运等以此理论为依据，设计出1 5 0 b z 3 4 0 、1 0 0 b z - 4 2 5 和1 5 0 l z - 5 2 0 型渣浆泵， 实践证明了这种泵性能参数的优异性。 1 9 8 3 1 9 8 5 年，石家庄杂质泵研究所利用4 p n 型泥浆泵，进行输送颗粒粒径 分别为d 。= 0 0 7 5 r a m 、0 1 6 m m 、0 7 0 m m 、7 m m 固体物料的浆体性能试验， 研究浆体的浓度、比重、粒径对泵性能的影响【6 】。 赵振海【7 】在国内首次采用高速摄影技术，研究了固体颗粒在叶轮内的运动规 律。清华大学的戴江【8 】采用高速摄影技术，研究了固液两相流紊流在离心泵内的 流动规律。 1 9 8 6 - - 1 9 8 7 年，石家庄杂质泵研究所分别对6 b a - 8 型、6 4 e - a h 型、 6 4 l x l - h - 3 6 型离心泵输送泥沙d 。- - 0 0 7 1 m m 、河沙d 。= 0 1 5 4 r a m ，在不同浆体浓 度下进行了系统的试验，研究了不同泵型的性能变化规律。其试验结论为：“各 种泵型在不同浓度下，其性能变化是不同的，用清水理论设计的6 b a - 8 型泵不 适合输送浆体；在一定的浓度下，各种杂质泵( 包括4 p n 型泵) 输送细颗粒浆 体时，泵的效率有时高于清水时的效率；输送粗颗粒浆体时，一般低于清水泵的 效率；各种泵型在输送浆体时都存在一个最佳输送浓度【9 】。 2 0 世纪8 0 年代末，许洪元f l o - 1 1 】提出了固液泵的两相流速度比设计思想，认 2 江苏大学硕士学位论文 为离心泵中的两相流动属于分离流动，在流道的不同部位，固体颗粒的受力不同， 固液两相间的速度比发生变化，使两相流体的浓度随之变化。根据上述理论推导 出固液两相流速度比方程和固液两相流基本方程式。 江苏理工大学的陈次昌【1 2 1 3 1 等对固液两相流泵的理论和设计方法做了系统 的介绍，对杂质泵的性能、固体颗粒在叶轮内运动规律、壁面磨损和水力设计方 面都有研究，在实践经验的基础上总结出一套叶轮和蜗壳的水力设计方法。 西安交通大学的姜培正【1 4 1 等，用高速摄影的方法对闭式泵叶轮内的固液两相 流进行了试验研究，得到了泵叶轮内固体颗粒群的速度分布和浓度分布，以及单 颗粒在叶轮流道内的运动轨迹及速度变化。 梁冰、朱玉才【1 5 1 7 】根据粘性流体的一般边界层理论，提出了一种以反映流 体沿程变化为其主要规律的适合于离心式固液两相流泵的流动损失分析及其叶 片型线设计的工程理论。它将离心泵内流道的流动分成两个部分：边界层和边界 层外的主流区，并将其流动简化为二维不可压缩定常流动。固液两相流泵边界层 理论的应用主要分为两个方面：其一是用该理论对离心式固液两相流泵进行过流 表面水力损失的分析；其二是利用该理论确定二维叶片式水力机械的型线方程。 离心式叶片的型线方程是边界层理论与欧拉理论的结合，它不仅表达了流动的出 入口的两种状态，同时也反映了流体的沿程变化，它说明了流体在叶片表面流动 的全部过程。 1 2 2 国外固液两相流泵研究现状 国外对离心式固液两相流泵的研究，大体可分为以下三个发展阶段【1 8 1 。 第一阶段：2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代，这一阶段的研究主要从分析固体颗 粒在泵内的运动入手，提出计算公式。主要由三个代表性成果。 ( 1 ) 1 9 3 7 年，m p 奥布雷恩【1 9 】等人对固体颗粒在叶轮内部流动进行了 分析，并通过试验得出固液混合物对泵性能的影响，得出结论：“扬程随浓度的 增加而下降，功率随浓度的增加而增加 。 ( 2 ) 1 9 4 2 年，l c 费尔班克在“对离心泵性能的影响 f 2 0 1 一文中，分 析了固体颗粒和水质点在叶轮内的运动规律及固体在叶轮内的受力情况，得出固 体颗粒的运动方程。通过对不同粒径、不同比重的三种物料的对比试验，得出结 论：“在相同的流量条件下，泵的扬程曲线和效率曲线随着混合物浓度的增加而 3 江苏大学硕士学位论文 f 降”。 ( 3 ) w b 格理高利【2 1 】、赫比奇1 2 2 】等，对固体颗粒在离心泵内的运动进行 研究，提出固体颗粒的运动方程式和泵输送固液混合物时的理论扬程表达式。 本阶段的研究成果主要包括以下几个结论： 1 ) 泵的扬程随着浓度的增加而下降； 2 ) 泵的功率随着浓度的增大而增加； 3 ) 泵的效率随着浓度的增加而下降； 4 ) 泵的最高效率点向小流量区偏移。 第二阶段：2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，开始采用先进的测试手段( 如高速 摄影) 观察颗粒在泵内的运动。 b k 苏波斛矧对固体颗粒在泵叶轮和蜗壳内运动规律进行研究，得出以 下成果： 1 ) 叶道内固体颗粒运动轨迹的特点是：小颗粒大致沿着叶片的工作面运动， 而大颗粒由于离心力的作用，其运动背离工作面。 2 ) 叶轮直径等于3 1 0 m m ，大颗粒出口角为3 0 。3 5 。，而小颗粒出口角则 为1 0 。左右。 3 ) 小颗粒分布较均匀，大颗粒集中在泵壳内壁。 1 9 6 3 年，板谷树、西川孝划刎利用高速摄影对泵内颗粒的运动轨迹进行拍 照，得到固体在运动方向和法线方向的运动方程，以及固体颗粒在小区段内的相 对速度公式；1 9 6 7 年，别洛鲁斯切夫分析固体颗粒在径向式叶轮中运动的规律 和受力情况，得到了颗粒相对液流的运动方程式和叶片之间的运动方程式，并得 到了叶片背面或者工作面磨损严重的判别式；1 9 7 5 年扎利亚分析了固体颗粒受 力和固体、液体对泵扬程的影响，并用高速摄影机拍摄了颗粒为7 4 m m 的钢球 和7 5 m m 的铝球在叶轮中的运动状态，得出了刚好与苏波隆相反的结论，即认 为颗粒直径越大，沿着叶片工作面运动的可能性越大；1 9 8 0 年宫江伸一在“关 于砂泵的扬程特性”一文中，分析了固体颗粒在泵叶轮内的运动和受力状态，并 用高速摄影机拍摄了颗粒的运动轨迹。通过试验，确定出特定渣浆泵的理论扬程 修正系数，摩擦损失、扩大损失系数公式【1 5 1 。 第三阶段：从2 0 世纪8 0 年代开始，采用有限元的方法，借助于计算机，模 拟固体颗粒在泵内的流动，大大促进了固液两相流泵的设计和理论方面的研究。 4 江苏大学硕士学位论文 1 9 8 0 年，m 罗克和f 哈雷特瞄】利用有限元的方法分析颗粒在叶轮内的受 力情况和浓度分布状态，得出了颗粒的相对运动速度。 1 9 8 2 年，g 格拉鲍发表“离心泵内二相流动 【2 6 】的文章，通过对固体颗 粒所受力的分析，得到了固体颗粒和水流的运动速度公式以及泵效率的计算式， 计算结论为泵的效率低于清水时的效率。 1 9 8 5 年，m c 罗克【韧等分析了压水室内的水力损失，利用有限元法计算 了环形压水室的速度分布，指出水头损失与压水室的形状、流量、浓度和从叶轮 流入的边界条件等因素密切相关。 1 9 9 2 年，加拿大的威尔逊【瑚在离心泵输送手册一书中强调，为了减轻 磨损，渣浆泵叶轮叶片数通常为3 片或4 片。 澳大利亚c i 沃克【冽等人发表“叶轮几何形状对离心式渣浆泵性能的影 响文章中研究了叶片数、叶片进口安放角、出口安放角、出口宽度、叶型等因 素对泵性能的影响，得出结论：叶片形状对扬程和效率有很大影响；叶片进口安 放角取值区间为1 8 。砣6 。，出口安放角取值区间为2 6 。娟3 。，叶片数为2 “ 枚。 通过国内外的研究可以发现，对两相流的研究从开始时的颗粒对泵性能的影 响，到后来由高速摄影得到颗粒的运动规律，进而提出两相流理论。目前，随着 计算机和计算流体力学的发展，开始运用有限元分析泵内部的两相流场，观察固 体颗粒在叶轮内部的分布和运动规律，用数值计算软件对泵性能预测，改善两相 流泵性能，针对不同的固体颗粒性质，找到合适的设计方法。 1 2 3 固液两相流泵发展趋势 近年来，随着流体力学理论的深入研究和c f d 技术的飞速发展，两相流理 论也取得了一定的成果，已开始逐步用于指导设计。 根据两相间的耦合程度可分为三种【1 2 】： ( 1 ) 均匀流模型 此模型假设两相间的速度彼此相等，这是最简单的两相流动模型，广泛应用 于各种设备的理论计算中。 ( 2 ) 一方耦合模型 此模型假设流体不受颗粒存在的影响，但颗粒在流体的带动下流动，适用于 5 江苏大学硕士学位论文 颗粒浓度非常低的两相流动。 ( 3 ) 分离流模型 此模型中两相的速度彼此不相等，两相间存在滑移速度。 根据计算方法分： ( 1 ) 连续介质模型 此模型把两相中的各相都看成是连续的，在每一相可以引入各种组分，但把 每种组分仍看成是连续的，并可依据连续介质理论引出欧拉型的基本方程。它又 可分为三种类型：无滑移连续介质模型，小滑移连续介质模型和滑移扩散连 续介质模型。 ( 2 ) 颗粒群轨迹模型 此模型把颗粒相当成不连续的离散相，对每一个粒子进行跟踪，这样对液相 用欧拉型方程，对固相用拉格朗日型方程。 固液两相流泵的研究主要集中在理论分析、试验研究和数值计算三部分。固 液两相流在泵内流动非常复杂，到目前为止，还未见有统一的理论公式和设计方 法，对固体颗粒的运动规律的研究仍是目前的研究重点；试验研究包括新理论的 实践和泵抗磨材料的试验研究两个方面，提高泵的抗磨蚀性能，也是今后亟待解 决的问题；随着计算机技术的高速发展，计算机辅助设计也越来越多地应用到泵 设计中，泵c a d 设计方法极大地提高了设计质量，节约了设计时间。c f d 技术 的应用，可对泵内固体颗粒进行可视化的研究，具有形象直观、便于分析等诸多 优点，也是今后对固液两相流泵研究的主要手段。 1 3 本文主要研究内容 本文以f l u e n t 软件为基础，以提高b q s 2 0 4 0 5 5 型矿用泵效率为优化目标， 探索出基于正交试验的矿用固液两相流泵的优化设计方法，找出泵在输送含有固 体颗粒工况下叶轮叶片进口冲角、出口角和叶片数的选择计算，以及相对于清水 泵情况下的取值趋势。 本文的主要研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 简要总结了固液两相流泵叶轮常用的设计方法，并对其进行了简要分 析，为本文的优化设计打下基础。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 选择对固液两相流泵性能影响较大的三个因素：叶片进口冲角屈、 叶片出口安放角伤及叶片数z ，对以上三因素分别取3 个水平，采用b ( 3 4 ) 正 交表，得到9 个试验方案。 ( 3 ) 利用p c a d 软件对9 个方案进行水力设计，采用p 删e 软件对其三维 造型，与蜗壳水体装配后导入g a m b i t 中划分网格。 ( 4 ) 分别对正交表中各方案进行清水和两相流的数值模拟计算，对结果进 行直观分析和极差分析，找出两种介质下的优化方案，分析两种介质下泵内部流 场，观察两相流模拟中固体颗粒分布状态，分析清水泵设计和两相流泵设计的异 同。 ( 5 ) 对两相流状态下的优化方案做出全流场模拟，增加叶轮进口处口环的 容积损失和前后盖板所产生的圆盘摩擦损失，对比全流场和非全流场下泵的效率 大小。 ( 6 ) 样机试验，对数值计算结果与样机试验结果对比，检查数值预测的准 确性，为今后数值计算的完善提供技术数据。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章两相流动理论与水力设计方法 固液两相流理论是研究流体相与固体相相互作用规律的理论，混合介质中包 含着固相的成分，因此在讨论固液两相流的运动规律之前，先简单介绍固体颗粒 的物理性质和几何性质。 2 1 固体颗粒的性质【1 2 1 2 1 1 固体颗粒的物理性质 固体颗粒的物理性质主要有：固体颗粒的密度、固体颗粒的重度以及固体颗 粒的相对密度。密度为单位体积所具有的质量，用p 。表示；重度为单位体积所 具有的重量，用几表示，根据牛顿第二定律可得到重度与密度的关系：儿= p , g ； 相对密度是固体颗粒的密度与同体积水的密度比，用s 。表示。 2 1 2 固体颗粒的几何性质 叶轮设计时，要考虑到固体颗粒的通过性能，颗粒的大小对叶轮参数的计算 和选择具有较大的影响p o l 。文献f 3 1 14 3 中规定矿用潜水电泵正常运行条件：“介 质中固体最大粒径不大于泵流道过流断面最小尺寸的5 0 ，4 5 4 中规定“对多 级电泵规定点参数应符合单级电泵流量和型式下的电泵效率，其扬程应符合设计 规定，且通过颗粒最大直径应不小于单级电泵通过颗粒最大直径的0 7 5 倍 ，由 此可见，固体粒径的大小对泵正常运行起着至关重要的作用。 在固液两相混合流动中，通常为方便起见，人们只是考虑一个平均尺寸，以 使颗粒相具有一种平均速度。固体颗粒直径( 简称粒径) 是颗粒大小的一个量度。 因为固体颗粒变化范围较大，因而在影响两相流动中，粒径成了最主要的参数之 一。 固体颗粒形状不规则，要确切表征它的大小相当困难，工程上常用的方法也 较多，主要有下面几种：标准平均直径、筛孔粒径、沉降粒径、算术平均粒径、 中值粒径和等效平均直径。 2 2 固液两相流离心泵设计方法 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 清水泵设计法p 粥4 】 清水泵的设计主要为速度系数法，它是建立在一系列相似泵基础上的设计。 也就是说，速度系数法是按相似的原理，利用统计系数计算过流部件的各部分尺 寸。用速度系数法设计叶轮步骤如下。 1 比转速刀， 3 6 5 n q 2 矿 ( 2 1 ) 式中：q 为泵的流量，对于双吸泵取q 2 ，m 3 h ；拧为泵的转速，r m i n ；h 为泵 的单级扬程，m 。 2 叶轮进口直径d 为消除叶轮轮毂的影响，先引入叶轮进口当量直径d o ，定义以d o 为直径的 圆面积等于叶轮进口去掉轮毂的有效面积，即字= 竺量丝，d o 按式( 2 2 ) 计算，其中 d 0 _ 摆 ( 2 - 2 ) d ，= d ；+ d ； ( 2 3 式中： 为系数，选择时可以按照效率优先和汽蚀优先来进行选择，即 主要考虑效率时，= 3 5 - 4 0 ； 兼顾效率和汽蚀时，k o = 4 0 4 5 ： 主要考虑汽蚀时，k o = 4 5 - 5 5 。 3 叶轮出口直径d 2 d 2 k ：浮，其= ( 9 3 5 9 6 ) ( 1 - 0 ) 加 ( 2 4 ) 当比转速小于6 0 时，上式计算的：应乘以修正系数k ，k 值如表2 - 1 所示。 表2 - 1 比转速对应的修正系数k 值 9 江苏大学硕士学位论文 4 叶轮出口宽度统 b 2 = k b 2 3 捂，其中七。：= ( 。6 4 一。7 ) ( 而n s ) 郇 ( 2 5 ) 对比转速以。小的叶轮，根据工艺上的可能性适当加宽；当n s 2 0 0 时，上 式计算的七。：应乘以修正系数k7 ，k 值如表2 - 2 所示。 表2 - 2 比转速对应的修正系数k 值 清水泵设计法是固液两相流泵最原始的设计方法，设计时没有考虑到固体颗 粒对内部流场的影响以及固体颗粒对叶轮流道的堵塞作用，在使用时就会出现叶 轮磨损失效、叶轮堵塞流量减小、运行工况不稳定等问题，因此，清水泵设计法 不适用于输送含有固体颗粒的介质。 2 2 2 经验设计法 1 刘湘文离心式泥浆泵经验设计法【3 5 1 该方法以清水泵设计理论为基础，刘湘文根据多年积累的试验数据和设计经 验，参照水泵的计算公式和一些国外的资料，进行数理统计和回归分析，并以此 为依据，通过在设计清水泵的公式中加入一些反映浆体特性的系数，得到了两相 流的经验设计公式。 ( 1 ) 叶轮出e l 直径d ， d 。：6 0 ( c u 。( 2 6 ) 式中：c 为经验系数，c = 1 6 , - , 1 8 ，当叶片进口安放角屈小、叶片数z 少时，c 取大值，否则取小值。 ( 2 ) 叶轮进口直径d 1 d 1 = k o ( 2 - 7 ) 式中：k o = 3 5 4 0 。 ( 3 ) 叶轮出口宽度6 1 0 江苏大学硕士学位论文 如一k a 摆 协8 ， 式中：瓦= 1 7 5 2 。，通常有墅k o = 。5 ；当要求有较大粒径的杂物通过时，惫 可达0 5 5 - 0 6 。 ( 4 ) 叶片出口安放角履 叶片出口安放角反在2 o 。一4 0 。之间选取，在泥浆泵中，属最大可达4 5 。， 而最d 、贝0 为1 0 0 一1 5 0 。 ( 5 ) 叶片进口安放角届 层= 孱+ 屈 ( 2 - 9 ) t 觚屈：v m l ( 2 1 0 ) m l 式中：届是叶片进口处液流角；届为进口冲角，届= 3 。一1 5 。；，为叶轮进 e l 处水流的轴面速度分量；“，为叶轮进口处的圆周速度。 ( 6 ) 叶片数z 对于泥浆泵而言，为使抽送的土块、杂物、石头等能顺利通过，其叶片数不 宜过多，一般情况下z 取3 5 片。 2 何希杰泥浆泵叶轮经验设计法【1 5 ，3 9 l ( 1 ) 泵的转速玎 对于抽送含磨料固液混合物的泵，转速应当小于抽送均质液体的泵的转速， 保证泵过流部件具有较长的使用寿命。根据国内外的有关资料，泥浆泵较常用的 转速如表2 - 3 所示。 表2 - 3 泥浆泵吸入口直径与转速的关系 ( 2 ) 叶轮吸入口直径d o 叶轮吸入口直径d o 的计算公式与清水泵的叶轮设计相同，有 卟k d o 嫣( 2 - 1 1 ) 江苏大学硕士学位论文 式中：k d o = 3 5 4 5 。 ( 3 ) 叶片进口直径d ， 叶片进口直径取d o 值，即d 1 = d o 。 ( 4 ) 叶片进口宽度2 j i 何希杰根据对现有泵轨d ：与n ，关系的分析，得到下列经验公式 现d 2 = 0 1 1 7 5 1 n n 。一0 3 7 2 7 ( 2 - 1 2 ) ( 5 ) 叶片进口安放角届 主要根据固体颗粒的粒度来决定。抽送细颗粒固液混合物时，进口边磨损较 小，此时考虑吸入能力，取届= 1 8 。一2 5 。；抽送沙粒固液混合物时，进口边磨损 大，进口磨损随进口角的增大而减小，所以一般采用屈= 3 0 。一4 0 。或者更大一 些。 届= 届一 ( 2 1 3 ) t a r i f f = 景 ( 2 - 1 4 ) 式中：为考虑排挤时的水流液流角；冲角届在3 。一2 0 。之间，对于抽送较大 颗粒固液混合物的泵，取较大值。 ( 6 ) 排挤系数墨 k ：1 一 望 ( 2 1 5 ) 1 2 嘁s i n 屈 ( 7 ) 叶轮出口直径d ， 通过对一定组数的d ：刊望与n s 关系的分析，得到下列经验公式，若令 yn 则当z = 5 时 则当z = 4 时 吁摆 d ：= 8 9 1 ( 耐n s - 0 3 8 5b d ：= 9 2 3 ( 耐n s - - 0 4 7 4 幺 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 江苏大学硕士学位论文 则当z = 3 时 d z 叫静一d g ( 2 - 1 9 ) ( 8 ) 叶轮出1 ：3 宽度玩 b 2 = k b 2 d 鼋 ( 2 - 2 0 ) 式中：k b 2 为经验系数，一般在1 1 2 5 之间取值，推荐值为1 6 2 2 。不同叶 片数时，其k ：值也不同，根据统计资料，可以得到下列经验公式 k b 2 = 4 2 9 z 一1 舵 ( 2 2 1 ) ( 9 ) 叶片出口安放角屈 0 2 = 9 0 z m 7 7 3 ( 2 2 2 ) 厦一般在1 0 。一3 0 。之间选取，推荐值为2 0 。一2 2 5 。 经验设计法是基于清水泵设计理论的设计方法，不能从根本上反映出固体颗 粒的性质和其在叶轮内部的流动规律，但相对于清水泵设计方法而言，经验设计 法根据大量的试验数据和设计经验，进行数理统计和回归分析而得出的设计方 法，并在其中加入了浆体的性质，在固液两相流泵设计中具有一定的实用价值， 给本文在正交试验因素水平的选取时提供参考。 2 2 3 两相流理论设计法 2 0 世纪8 0 年代以来，两相流理论开始应用于固液两相流泵的设计中，其中 最有代表性的理论有许洪元的“固液两相流速度比设计法”、何希杰的“三项合 并假设设计法和蔡保元的“两相流畸变速度设计法。 ( 1 ) 许洪元的“固液两相流速度比设计法m 删 1 9 9 8 年，清华大学的许洪元教授提出了固液泵的两相流速度比设计思想， 其设计的主导思想是：离心泵的两相流动属于分离流动，在流道的不同部位，固 体颗粒的受力不同，固液两相间的速度比发生变化，使两相流体的浓度随之变化。 并定义： 固液两相流速度比 屯= 堕 ( 2 2 3 ) ， 江苏大学硕士学位论文 固液两相流浓度比 k c = 生 ( 2 2 4 ) c s 固液速度比方程 k c = c ，+ ( 1 一c ，) k v ( 2 2 5 ) 若借助于清水泵的设计，应用固液速度比理论进行叶轮几何参数的计算，如 叶轮进口直径 d o _ ( 1 一摆 ( 2 - 2 6 ) 叶轮出口直径 d 2 - - 以6 万o 砜2 1 + 厄丽】 ( 2 - 2 7 ) v m 2 f = 若溉( 2 - 2 8 ) b ：= ( ! 二! ! ! 二( ! 二生! ! ! !( 2 2 9 ) 。一c ，) t a n 尾 式中：y ，、屹分别为固、液相的速度；c v 、c s 分别为固、液两相流的输送体积 浓度和当地体积浓度；：，为叶轮出口液相轴面流速；b 为系数。 ( 2 ) 何希杰的“三项合并假设设计法”【9 】 石家庄杂质泵研究所的何希杰在固液两相流基本方程化简中，将固体颗粒相 对运动方程式的相关项进行化简得到如下表达式 苦小吲匀 ( 2 - 3 0 ) 式中：k 。为系数，与叶轮结构、几何参数、固体颗粒粒径和特性有关；k 。、 分别为固、液两相流在叶轮出口处的速度。 ( 3 ) 蔡保元的“两相流畸变速度设计法 i 4 4 4 5 】 2 0 世纪8 0 年代，经验设计法提出不久，蔡保元教授提出了两相流畸变速度 设计法。其基本思想是：把固体颗粒作为水流运动的边界条件，固体颗粒的存在 使液体的速度场产生了畸变，在泵的入口，固体颗粒的速度小于液体速度，固体 颗粒相对于液体产生“相对堵塞 作用，液流畸变速度提高；反之，在泵的出口 1 4 江苏大学硕士学位论文 处，固体颗粒的速度大于液体速度时，固体颗粒相对于液体产生“相对抽吸 作 用，液流畸变速度降低。根据上述理论，推导出了泵叶轮两相流方程式： y 附一p 栅= k ， ( 2 3 1 ) y 一吃一n ，2 ( 2 - 3 2 ) k r = 产4 c a r , 甄d , ( 9 - p , , , ) ( 2 3 3 ) 式中：、分别为两相流的水流、固体、清水的轴面速度分量；国为 叶轮旋转的角速度；r 为叶轮的旋转半径；d ，为固体颗粒的轴面投影粒径；c ，为 固体颗粒轴面迎流阻力系数。 两相流理论设计法考虑了固体颗粒在泵内的运动规律，比较符合泵实际工作 条件，在泵的设计方面有了新的突破，实践证明用该理论设计的泵效率较高，防 止了泵过流部件高速磨损的问题，延长了使用寿命。在两相流理论的研究过程中， 为了使方程推导更加简洁，还有一些假设成分的存在，需要在以后的工作和研究 中进一步完善。 2 3 本章小结 本章首先简单介绍了固体颗粒的性质，然后系统归纳了固液两相流泵的设计 方法，包括清水泵设计法、经验设计法和固液两相流理论设计法。在经验设计法 中涉及到刘湘文离心式泥浆泵经验设计法和何希杰泥浆泵叶轮经验设计法。在两 相流理论设计法中包括了许洪元的“固液两相流速度比设计法、何希杰的“三 项合并假设设计法 和蔡保元的“两相流畸变速度设计法 三种。在两相流设计 理论中，可以看出含有一些假设成分，说明两相流理论在泵的设计方面还未成熟。 本文结合矿山常用的b q s 2 0 4 0 5 5 型泵，基于正交试验对该泵进行优化设计， 对固液两相流泵的设计进行分析研究。 江苏大学硕士学位论文 第三章基于正交试验的叶轮两相流优化设计 离心泵的叶轮是泵的重要元件，可以说是泵的心脏部位，泵的外特性曲线以 及运行性能的好坏在很大程度上都取决于叶轮设计的合理性。 本文中以煤矿排水中常用的b q s 2 0 4 0 5 5 型泵为原型，按照蔡保元提出的 两相流泵设计原理，用正交试验和数值模拟的方法，对泵叶轮运用两相流原理优 化设计，为保证泵整体结构设计不变，本文仍采用原蜗壳水力模型。 3 1 叶轮设计参数及设计要求 b q s 2 0 4 0 5 5 型泵是济宁安泰矿山设备制造有限公司生产的一种用于煤矿 矿井排水的内装式隔爆型排污排沙潜水电泵，用来抽送固体颗粒和液体的混合 物。其性能参数的设计要求如下：流量q = 2 0 m 3 h ，扬程h = 4 0 m ，转速 n = 2 9 5 0 r m i n ，比转速疗。= 5 0 。 原叶轮水力模型设计如图3 - 1 所示，其中叶轮出口直径d ，= 1 7 5 m m ，进口直 径d ，= 5 5 m m ，出口宽度b 2 = 1 1 4 m m ，叶片进1 2 1 安放角屈= 2 4 5 。，叶片出口安放 角及= 2 2 。，叶片数z = 6 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 7 0 8 0 9 0 1