（机械设计及理论专业论文）新型渣浆泵叶轮设计.pdf

a b s t r a c t w h i l e p u m p i n g a b r a s i v e s l u r r i e s w h i c h i n c l u d e l a r g e s o l i d , t h e s t e e l s e r v i c e i f e o f w e t e n d c o m p o n e n t s i n s o l i d - l i q u i d t w o p h r a s e c e n t r i f r g a i s l u r r y p u m p i s a l o n g - s t a n d i n g p r o b l e m . w h e n t h e i m p e l l e r o f w a r m a n p u m p w h i c h h a d b e e n i n t r o d u c e d f r o m t h e w o r l d - f a m o u s s l u r r y p u m p c o r p o r a l i o n a u s t r a l i a w a r m a n p u m p c o r p o r a t i o n w a s u s e d a t n o . 7 p u m p p l a c e i n c h e h e m i i i n g p l a n t o f g u a n g x i h u a x i g r u o p , t h e a v e r a g e s e r v i ( e i f e o f t h e i m p e l l e r i s n o m o r e t h a n 1 5 0 h o u r s b e c a u s e o f t h e s e v e r e w o r k i n g c o n d i t i t n s . t h e r e h a s b e e n s t i l l n o s u b s t a n t i a l p r o g r e s s i n t e c h n o g i c a l t r i a l o f o . 7 p u m p a f t e rt h a n t e n y e a r s e f f o r t s o f m a n y t e c h n o l o g i s t s a l l -v e r t h e w o rl d . more t h ep u r p o s e o f t h i s s t u d y i s t o p r o b e t h e h y d r a u l i c d e s i g n m e t h o d o f i m p e l l e r s o a s t o p r o l o n g t h e i m p e l l e r s e r v i c e l i f e a n d t o r e ( u c e cost . o n t h e b a s e o f f a i l u r e a n a l y s i s o f w a r m a n i m p e l l e r , w e c a r t d r a w a c o n c l u s i o n t h a t t h e f a i l u r e r e a s o n o f w a r m a n i m p e l l e r i s t h e s e v e r e e r o s i v e w e a r a t b l a d e m a d e b y s o l i d p a r t i c l e.a h y d r a u l i c d e s i g n p l a n a i m i n g a t g o o d a b r a s i v e - r e s i s t a n c e a n d h i g h e f f i c i e n c y i s p r e s e n t e d，a n d a n e w i m p s 日e r i s d e s i g n e d . t h r o u g h t h e l o c a l e e x p e r i m e n t o f n e w i m p e l l e r , t h e r e s u l t s h o w s t h a t : t h e p e r f o r m a n c e o f n e w i m p e l l e r i s e x c e l l e n t; n o t o n l y n e w i m p e l e r s s e r v i c e l i f e h a s b e e n p r o l o n g e d 3 8 % , b u t a l s o i t s c o n s u m p t i o n o f e n ( r g y c a n h e r e d u c e 5 % . t h i s s t u d y o u t c o m e c o u l d m a k e g r e a t e c o n o m i c a n d s e c i a l b e n e f i t 、 . a t t h e s a m e t i m e，t h i s s t u d y o f f e r a n e w m e t h o d a b o u t h y d r a u l i c d e s i g n o f i m p e l l e r. k e y w o r d s : s l u r r y p u m p , i m p e l l e r , f a i l u r e a n a l y s i s , d e s i g n 前言 渣浆泵是固液混合物水力输送的关键设备， 在冶金、 煤炭、电力、 交通. 水 利和环保等行业都有广泛的应用。 渣浆泵主要用来抽送含有硬质颗粒的固液混合 物，如用于选矿 一 厂抽送精矿和尾矿、火电厂抽送灰渣、 选煤厂抽送煤泥、 挖泥船 上 抽送砂砾等; 被输送的固 体颗粒在高 速运转的 泵轮中 运动，i 卜 规 则运动的! 5il 液 混合物犹如液体砂轮， 泵的过流件在这种液体砂轮的环境中工作， 经受强烈的磨 损破坏。 效率低下 和磨损严重是渣浆泵长期存在的两大难题。 尤其是在硬质颗粒 的粒径较大时， 泵过流件的磨损问题更加突出，过流件的使用寿命 卜 分短暂 经 常更换泵过流件需要花费大量的资金和人力。 近年来， 我国对于在粒径较细使用 条件下的高效抗磨新型渣浆泵的研究、 开发和推广应用工作，己经取得了很大进 展， 但是 对于在粗颗粒使用条件下的渣浆泵的研究、开发和推 一 ) 0 j ) 月 土 作，t 进 展却 一 分缓慢。 本课题的研究工作主要是针对在粗颗粒使用条件下的离心式浓浆泵叶轮而 开展的 车 河选矿厂7 号泵位的工况条件十 分恶劣， 其突出特点是 渣浆中固体颗 粒的粒度大 ( d 5 0 -2 m m , d m a x 达2 0 mm 。自 建厂以来，7 号泵位曾经使用过囚内外 多 种泵型， 其中以 从国际著名的 渣浆泵公司 澳大 利亚war man 国际设备 有限公司引进的w a r m a n 重型渣浆泵的使用效果为 最好。 然而，7 号w a r m a n 泵叶 轮的使用寿命也只有一个星期左右，被称为 “ 星期泵” 。本课题针对7 号泵进行 研究的i 的与意义在于: 1 ) 探索在粗颗粒使用条件下离心式渣浆泵叶轮的水力设计新方 法。 ( 2 )提高叶轮的使用寿命，为生产企业解决实际问题， 减少泵件消耗，降低企 业的生产成本，提高企业效益。 ( 3) 将科研成果推向市场，转化为生产力。 本课题的研究内容主要包括: ( 1 ) 对7 号w a r m a n 泵叶 轮进行失效分析 ( 2) 叶轮的水力设计 ( 3)叶轮的生产制造 ( 4)对叶轮进行工业应用试验 本研究论文分五章。 第1 章为概述， 对渣浆泵的研究与发展，设计理论. 设 计原则、设计方法和使用状况进行了介绍。第2 章对车河选矿厂7号w a r m a n泵 叶轮进行失效分析。 第3 章为新叶轮的设计。 第4章介绍在生产现场对新叶轮进 行工业应用试验的情况。第5 章为小结，结出本研究课题的结论。 论文中不足之处，敬请各位专家和读者指正。 们者 2 0 0 1 年 5月 第 1 章概述 第 1 章概述 泵是一种应用广泛的通用机械。输送固液混合物的泵称为固液泵或杂质泵 ( 包 括污水泵、 料浆泵和渣浆泵三大类) ， 在工农业各部门中得到了广泛的应用。 在实际 应用中，用来输送含硬质固体颗粒渣浆的固液泵称为渣浆泵，主要包括泥浆泵、砂 泵、砂砾泵和挖泥泵。在渣浆泵产品中，大部分是离心式渣浆泵，其工作原理和离 心式清水泵的工作原理是一样的。 渣浆是指含有一定粒径、硬度、浓度的固体物料与水组成的固液混合物。如工 业中常见的泥浆、矿浆和河流中的砂水混合物都是渣浆。在流体力学中，把固体与 液体组成的混合物称为固液两相流体， 其流动称为固液两相流动。 两相流体中的“ 相” 是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质部分。如固液两相 流体中的固体称为固相，液体称为液相 ，丁 。 所以， 通常所说的 渣浆就属于固液两相 流体，因而有时也把渣浆泵称为固液两相流泵。 渣浆泵输送的固液两相流体通常是在连续介质 ( 液相)中含有不连续介质 ( 固 相)的非牛顿流体。连续介质称为连续相，不连续介质称为离散相，对于固液两相 流中的每一相，都需要用一组力学和热学参数描述，同时还要考虑不同相之间的力 学祸合关系。因此，固液两相流问题要比单相流问题复杂得多。固相和液相在泵内 的运动特性有较大差异，在理论分析时须将固相、液相分别列出运动方程，而不能 简单地以一种混合相代替或仅考虑液相的运动。由于渣浆组成及其流动的复杂性， 渣浆泵在研究、设计理论、设计方法等方面远没有象清水泵那样成熟，许多问题还 处在不断的探索和完善之中。 本章主要就离心式渣浆泵的研究与发展、设计和应用等问题进行简介。 1 . 1离心式渣浆泵的 研究概况 渣浆泵的研究是从理论分析和试验研究两个方面进行的。理论分析，就是建立 数学模型和物理模型，研究固液两相在泵内的运动规律;试验研究，就是通过试验 探讨固体颗粒在泵内运动的实际情况以及对泵性能的影响，验证理论分析的正确程 度。 渣浆泵的研究工作， 在宏观方面， 就是研究固液混合物对泵和管道特性的影响; 在微观方面就是研究固液两相在泵内的运动规律，从而为渣浆泵的设计提供依据。 互 1 . 1 . 1国外离心式渣浆泵的研究 1 研究阶段的划分 国外从二十世纪三十年代开始就有人研究泵内的两相流动问题。在过去的六、 七十年中，用于渣浆泵研究的手段和设备也经历了一个发展过程，先后使用了高速 摄影机、图象显示技术、有限元分析、电子计算机计算仿真和绘图等。近几年来利 用现代的测试设备甚至可以 测出固体和液体的 不同 运动速度2 1 。 就整个泵领域而言 ， 长期以 来两相流泵的研究并不是热点，例如对日 本自 二十世纪五十年代以 来有关泵 的研究论文的统计表明 ，每年研究两相流泵的论文数量均在泵类论文总数的 8 % 以 下【 月 ， 至于有关离心式固 液两相流渣浆泵的 研究论文则更少了。 根据不同时期对渣 浆泵研究所采用的手段和设备特点，可以 把国外离心式渣浆泵的研究大体分为三个 第 i 章概述 阶 段 : 第一阶段， 从2 0 世纪3 0 到6 0 年代 第二阶段，从6 0 年代到8 0 年代: 第三阶段，从 8 0 年代初到现在。 2国外渣桨泵研究的主要成果 ( 1 ) 第一阶段， 其特点是: 论文作者从分析固体顺较在叶轮中的运动入手， 提出 计算公式。下面介绍该阶段的三个代表性研究成果。 1 9 3 7 年，奥布雷恩等 他们在 管道输砂一文中，对固体颗粒在叶轮内的运动进行了分析。并通过 试验，研究了颖粒粒径和固液混合物体积浓度对泵性能的影响，提出了砂水混合物 在叶轮内 运动的物理模型。 他们用 4英寸离 心泵在转速为 1 7 5 0 r / m i n条件下输送 d ,= 0 . 1 3 ，和0 . 3 0 5 11 11 ， 固 体相对s = 2 . 6 的 砂水混合物作试验. 试验结果表明， 泵扬 程随着输送浓度的增加而下降，功率随体积浓度的增加而增加。 这些结论，被以后 大量的试验结果所验证。 1 9 4 2 年，费而班克 在他发表的 颖粒对离心泵特性的影响 一文中， 分析了固体颗粒和水在离心 泵叶轮内的 运动规律和颗粒在叶轮内的受力状态。根据受力分析， 提出了固体颗粒 运动方程式，这是分析泵叶轮内固体颗粒运动的最早研究成果，为后来对颗粒运动 分析奠定基础。他提出了输送固液混合物时泵的理论扬程表达式，表达式中除了包 括固相和液相质点在叶轮出口的轴面速度外，还包括了混合物的体积浓度，固体物 密度和混合物容重等参数。该公式是离心渣浆泵的基本方程式。作者利用3 英寸离 心泵输送粒径分别为0 . 8 m m、 0 . 0 3 4 m m 和0 . 0 0 1 m m ，密度分别为2 . 6 6 , 2 . 6 3 , 2 . 7 3 的三种物料进行对比 试验。 结论为:在相同 流量下， 泵的性能h - q : q - q 随输送 浓度的增加而下降。 1 9 6 2 年， 太田启吉良 在他发表的 砂泵理论的考察一文中， 他将离心式砂泵叶轮和泵体内的流动 作为弯曲 流道及其流管外面外加压力的问 题进行了分析， 利用图 解法给出了固体颗 粒在叶轮内不同时刻的运动状态和轨迹。 在这个阶段， 还有1 9 7 2 年格利高利、 1 9 3 3 年三云、 1 9 3 9 年掘田正雄、 1 9 5 7 年 长谷川、1 9 5 8 年佐佐木、1 9 5 9年真野一德、1 9 6 1 年赫比 利奇等利用离心泵输送各 种含不同固体的浆体，进行浆体浓度等参数对泵性能影响的研究，主要结论如下: 泵的扬程随浓度的增加而下降;功率随浓度增加而增加: 效率随浓度增加而下 降;最高效率点向小流量偏移。 但是英国水力研究协会用 2英寸泵输送体积浓度 c v = 1 6 % 和c v = 2 2 % 的白 奎浆体时， 泵的最高效率高于输送清水时的效率。 因此， 在给 定 输送系统输送某种物料时，可能存在一个最佳输送浓度。 ( 2 )第二阶段，该阶段采用先进的侧试手段 ( 如高速摄影、图像显示技术) 来观 察顺较在叶轮内的运动，用来脸证提出的颖较运动方程， 进而通过试验研究确定数 学棋型。其代表性成果如下: 1 9 6 3 年，板谷树等 他们在 关于砂泵的研究一文中，分析了固体颗粒在砂泵中运动的轨迹和受 力状态;首次利用高速摄影机对固体颗粒在砂泵叶轮中的运动轨迹进行了拍照，并 进行了 分析。 他们利用叶轮叶片出口 安放角分别为 1 5 , 2 5 0 , 3 5 和 4 5 0 的离 心泵输 第 1 章概述 送平均粒径为 1 2 . 5 7 m m ( s = 2 . 5 2 ) , 8 . 2 8 m m ( s = 2 . 9 0 ) 和5 . 1 9 m m ( s = 2 . 8 7 )三种玻璃球 进行试验， 并对固体颗粒运动轨迹进行了高速摄影。 试验结果表明， 在0 : 二 2 5 3 5 0 范围内，流出角与叶片安放角相近，颗粒在出口处相对速度的计算值与实测值也大 体一致。 1 9 7 6 年，别洛鲁斯切夫 他在 关于固液混合物中固 体颗粒在矿浆泵过流部件中的运动一文中， 分析 了固体颗粒在离心式矿浆泵叶轮内的运动规律和受力状态。根据颗粒在叶轮中所受 六种力进行平衡，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 得出了叶片背面或者工作面磨损严重的判别式。 1 9 7 2 年， b . k苏波隆 他在 泥浆泵的磨料磨损及其防护一书中，研究了磨料颗粒在泵轮和泵壳内 运动的规律，用高速摄影机拍摄了颗粒在泵内的流动状态。其成果如下:流道内固 体颗粒运动轨迹特点是: 小颗粒( 1 -2 m m ) 大致沿着叶片工作面运动， 而大颗粒( 8 - - l o m m )由 于离心力的作用，在叶轮流道内运动时就离开了工作面。在直径为 3 1 0 m m 的叶轮中， 大颗粒出口角为3 0 0 -3 0 ，而小颗粒出口角为1 0 。 左右。同时还给出了大 颗粒和小颗粒在泵壳内的运动轨迹和分布状态，小颗粒分布较为均匀，大颗粒则 集 中在泵壳内璧。 1 9 7 5 年，扎里亚 他发表了 固液混合物中固相在离心泵产生扬程中的作用和 固液混合物中 固相对离心泵扬程的影响等文 章。分析了固 体颗粒受力和固体、液体对泵性能的 影响，得出了泵送混合物时扬程与泵转速、混合物流量、固体颗粒密度、粒径和叶 轮出口宽度等参数之间的经验公式和泵的效率与混合物容重、固体径粒以及叶轮直 径之间的经验公式。 列举了高速摄影机对钢球 ( d = 7 . 4 m m ) 和铅球 ( d = 7 . 5 m m ) 在泵 内 运动的各种速度的实测值。 他的研究结果 表明，在靠 近最高效率点的小流量区输 送浆体的效率高于输送清水时的泵效率，而在大流量区，输送浆体的效率低于输送 清水时的效率。 1 9 7 8 年， 任沃托夫斯基等 他们在 抽送磨蚀性固液混合物的叶片泵 一书中， 介绍了固液两相流渣浆泵 的结构、设计和应用。 1 9 8 0 年，富江伸一 他在 关于砂泵的扬程特性 一文中分析研究了固体颗粒在叶轮内的运动和受 力状态，并用高速摄影机拍照了颗粒的运动轨迹。通过试验，求出特定渣浆泵理论 扬程修正系数，摩擦损失和扩散损失系数公式。这是首次研究渣浆泵内各种损失的 重要成果。 ( 3 ) 第三阶段， 利用有限元方法和计算机工具对泵内 的 运动情况进行分析、 计算和 仿真。这个阶段的研究成果很多，简要介绍如下。 1 9 8 0 年， m . 罗科， f . 雷哈特 他们在 利用有限元法计算离心泵叶轮内的固体颗粒浓度 一文中， 分析了固 体颗粒的受力情况和叶轮内浓度的分布状态。他们对渣浆泵实际运行的观测表明， 叶轮有效运转寿命由最大局部磨损来确定。根据计算， 可以选择最适合于输送已知 固体物的泵或者按照粒径范围预测最佳叶片形式。叶轮的最终设计是最佳水力型式 和最佳磨蚀型式兼顾的方案。 1 9 8 3 年， b . 卡列林 第 i 章概 述 他在 叶片泵的磨损一书中，专门讲述了离心式渣浆泵的磨损机理、类型、 实例和预防磨损的措施。叶轮磨损的程度随着泥砂颗粒尺寸逐步增加而增强。在颗 粒增大到 0 . 3 5 m m 以前比大颗粒的磨损强度增加的速度要快。 粒径增加会引起叶片进 口区的显著磨损;粒径小于0 . 2 5 m m 时，叶片出口处的磨损将特别显著。 1 9 8 5 年，峰村吉泰等 他们在 离心泵内固体颗粒的运动一文中，分析了固体颗粒和液体质点的受 力情况，同时也研究了固体颗粒与壁面之间撞击时速度的变化，得到了旋转坐标系 中水流运动方程式和固体颗粒的运动方程式。 1 9 8 6 年，罗科等 他们在 离心式泥浆泵压出室内的水力损失一文中分析了压出室内的水力损 失，利用有限元法计算了环形压出室的速度分布，指出了扬程损失与压出室形状、 流量、浓度和从叶轮流入的边界条件等因素密切相关。 1 9 8 6 年，沃托夫斯基 他在 固液混合物工程力学与泥浆泵专著一书中，比较详细地阐述了固体颗 粒运动规律和速度变化规律以及对泵性能的影响，同时也讲述了渣浆泵的设计原理 和方法。 在这个阶段， 还有许多研究成果。 1 9 8 9 年， 村上用有限元法对渣浆泵内部流场 作了 全三维计算， 计算了固体颗粒的三元流动轨迹和 。 1 9 8 2 年， g . w i 1 s o n 对磨蚀性 渣浆泵的设计问 题进行了 深入讨论 . 1 9 8 6 年， m . c . r o c 。 通过对护套中的 流动进行 准三元流动分析和利用有限元法对两维流动进行数字仿真，分析了各种形状的渣浆 泵护套的 扬程损失 。 1 9 8 7年， k . k . s h e t h 利用欧拉方程推导了 离心渣浆泵的滑移 系数和摩擦系数公式 . 1 9 9 4 年， t . c a d e r 应用l d v 扫描技术对离心渣浆泵中的固 液两相速度分布进行研究 0 1 9 9 9年， r o u d n e r对离心渣浆泵设计的 若干问 题进行 了 较 全 面 分 析 10) 。 1 . 1 . 2 我国离心式渣浆泵的 研究 与国外相比， 我国对离心式渣浆泵的研究起步较晚。 虽然长期以 来对水力机械 的磨蚀问 题进行了 大量研究， 也有文献口 对此进行系统的介绍， 但其研究方法是以 “ 一相流” 理论为基础的， 并没有反映两相流的 特性。 从7 0 年代中期以 来， 我国部 分学者已开始注意研究渣浆泵中的两相流问题， 但直到8 0 年代初， 才在有关文献中 发现离心泵两相流问题研究的报道。 1 9 8 3 年， 蔡保元在 科学通报中发表了 离心泵的“ 二相流” 理论及其设计 原理 一文 121 ， 在我国 常称之为“ 蔡氏 理论” ， 这是我国 较早的有关固 液两相流泵的 研究论文。文中作者提出了设计固液两相流渣浆泵的思想，对于指导我国离心式渣 浆泵的设计起到了重要作用， 并应用该理论设计了多种渣浆泵， 取得了很好的效果。 此后， 作者又发表了(二相流” 泵能量转换的新规律 u s 和 按两相流设计的 杂质 泵性能的特点u 4 等文章，对于我国渣浆泵的研究和推广应用起到了促进作用。 清华大学水利系是我国固液两相流泵研究的重要力量。该系于 1 9 8 2 年在国内 首先建成了固液两相流泵实验台， 到1 9 8 8 年已拥有三个实验台位。 可以进行单吸泵 和双吸泵在清水和浑水条件下的宏观特性的实验研究，还可以进行固体颗粒在泵及 管道中微观流动过程的实验研究。该系师资力量雄厚，实验设备先进，是我国固液 两相流泵研究的重要基地。 赵敬亭对固体物料对离心泵性能的 影响 ，习 、离心泵流道 中固体颗粒的运动 i6 和流道中固液两相流动规律 17 1 等问 题进行了 研究。 许洪元则对 第 1 章概述 两相流泵叶轮出口 参数计算和选择 m l 、 叶轮中固体颗粒的运动1 19 7离心渣浆泵叶轮 磨损规律2 0 1 和渣浆泵叶片绘型2 0 等问 题进行了研究，并提出了 设计固液两相流泵的 u x 11 理论2 2 1 。 王琳等利用数字图像处理技术对离心泵叶轮中的固 液两相流浓度分布 进行了 分析iz a 罗先武对渣浆泵叶轮磨损规律进行了 研究(2 4 1 我国固液两相流渣浆泵研究的另一支重要力量是石家庄杂质泵研究所。何希杰 在实验资料的基础上，利用数理统计分析方法，得出了离心渣浆泵在设计工况下输 送浆体时的性能计算方法2 5 ) _ i2 5 1 。 此外， 他还对离心渣浆泵的节能技术2 7 1 、选型m 和渣浆泵系列产品技术水平进行评价12 9 1 ， 提出了 渣浆泵的工作原理与设计方法tao l 赵振海则对渣浆泵的抗磨设计进行研究i3 1 o 此外， 还有顾广运对低比 转数渣浆泵的叶片型线和参数13 2 以及对离心渣浆泵进 行清水和浆体实验研究m l ，并按两相流理论设计了 渣浆泵， 在实际应用中取得了良 好效果13 1 1 . 35 1顾四行w 、杜同3 7 1 、田爱民as l等人分别通过大量的 现场观察和实 验， 对渣浆泵磨损机理进行了分析，并提出了 抗磨对策。而马振宗【39 1 、 李文广40 1 等则对 渣浆泵的汽蚀问 题进行了研究。黄子郁4 11 、 刘彦春4 2 1 、张玉新143 1对超低比转数离心 式渣浆泵的理论与设计提出了各自的观点，后者还提出两相流泵叶轮的优化设计方 法，4 4 1 。孙建 平则对离心式渣浆泵的水力设计c a d 进行了 研究45 1 。西安交通大学、 江 苏理工大学和沈阳水泵研究所等单位也对离心渣浆泵进行研究。 从我国对离心式渣浆泵的研究来看， 除了 在研究时间上比国外晚了 将近五十年 外，研究的手段和设备也比国外落后，研究成果当然也比国外少。这直接导致了我 国渣浆泵技术水平总体上落后于先进国家，渣浆泵产品的品种、质量、性能和使用 寿命不尽人意。这是我国许多使用渣浆泵的行业多年来都花许多经费进口国外渣浆 泵的根本原因。 互 1 . 1 . 3渣浆泵研究中尚需解决的几个问题 虽然国外对渣浆泵的研究工作已 经有7 0 年的历史， 即使在我国也已 经有2 0 多 年了，但渣浆泵研究中所面临的许多问题还没有得到圆满解决。当前，渣浆泵研究 中 仍然存在一些难以 解决的问 题， 如浆体的流变特性4 0 1渣浆泵磨蚀性磨损和渣浆 泵的设计理论等问题。 1 .浆体流变特性的 研究 桨体流变特性是影响渣浆泵设计和使用的关键因素。在泵送非牛顿固液混合物 时，由 于浆体浓度、粒度和粘度等因素的影响，使得同一台泵在输送清水和输送浆 体时扬程和效率都要发生变化。因此，渣浆泵的性能特性取决于浆体的流变特性， 而且浆体的流变特性还将影响渣浆泵在特定工况下的正确使用和对工作状态的准确 测定。实际上，要测定浆体对泵性能、尺寸、比转数的影响和浆体中固体粒度、比 重和浓度与粘度之间的关系，需要浆体流变特性的广泛数据。这对于进一步研究非 牛顿浆体对泵性能的影响有其重要意义。 迄今为止，国外尚未有人提出一套完整的流变特性数据。但是，许多学者认为 离心泵性能的变化主要是因为浆体表观粘度的变化而引起的，许多研究机构十分重 视对该问题的研究。例如，英国流体工程协会与英国水力研究中心联合对浆体输送 粘度对泵及管道性能的影响进行研究。美国古尔茨泵公司莫里斯泥桨试验室主要进 行离心泵输送悬浮固体物的试验研究，以寻求输送浆体的最佳浓度。澳大利亚的沃 曼泵公司对离心泵输送细颗粒或均质非牛顿浆体时的性能变化进行研究，他们在浆 第 1 章概述 体试验回路中以不同的转速，测定泵性能随混合物浓度和流变特性变化而变化的相 互关系， 探索浆体高浓度输送的可行性圈， 而日 本名古屋大学情报文化学部则进行 了离心泵中固液两相流动分析和基于拉格朗日 .法的数值计算，以及叶轮中 三维多相 瑞流计算 门 。在我国清华大学水利系多年来一直开展浆体特性对离心泵性能影响的 研究工作。 2 . 渣浆泵磨蚀性磨损研究 磨蚀性磨损是输送磨蚀性浆体的渣浆泵普遍存在的严重问题。渣浆泵的过流部 件基本上都是由于局部的快速磨损而失效的，因此，渣浆泵的使用寿命，主要是过 流部件的使用寿命，往往是泵设计者和使用者所关心的首要问题，尤其是在使用条 件恶劣的场合更是如此。 渣浆泵的磨损是受流体流速、混合物浓度、颗粒粒度、硬度、形状、流动形式 以及泵的设计和泵用材料等许多因素共同影响的复杂问题，在许多场合还有汽蚀的 联合作用对泵过流件产生破坏。国内外众多研究机构长期以来致力于渣浆泵的磨损 研究，以期弄清渣浆泵的磨蚀磨损机理，研制抗磨材料，达到延长泵使用寿命的目 的。 到目 前为止，虽然国内外学者对渣浆泵磨损问题的研究己经取得了许多成果， 但还远远没有完全解决这一问题。 首先，渣浆泵的磨损机理还不是很清楚，还需要进一步验证和补充完善。一般 摩擦学和空气冲蚀理论应用到水力机械上还需加以修正;虽然在以往的磨损研究中 已积累了许多水力机械实际运行的磨损资料，但这些资料比较分散，缺乏系统性， 无法形成令众人信服的结论。 其次，目前还没有一套方便计算和预测磨损的成熟理论。实际上，由于现场情 况十分复杂，很难确定各个磨损因素的相互关系，因而至今仍未得出依靠各个磨损 因素预测渣浆泵磨损率的定量数据。所以，在大多数情况下，国内外渣浆泵生产厂 家只能根据经验保守地提出一些磨损和寿命的关系式。 通常作法是优选抗磨材质、 加厚过流部件和合理选型，以达到降低磨损，延长寿命的使用效果。 可以预测，在今后渣浆泵的磨损研究中，以下三个方面的问题将会是研究的重 点: ( 1 ) 建立与渣浆泵实际运行情况相符合的磨损模型，进一步完善关于磨损机理的 理论，实验手段由宏观转向微观。 ( 2 ) 研究渣浆泵过流部件材料的磨损规律，积累经验数据，建立一套全面、完备 的资料数据库，为渣浆泵抗磨设计和选择材质提供依据。 ( 3 ) 在磨损数值模拟方面， 主要是渣浆泵过流部件在一定磨损模型下的磨损预测。 3 . 渣浆泵的设计理论 虽然固液两相流渣浆泵得到了越来越广泛的应用， 但无论在国内 还是国外，两 相流渣浆泵的设计理论都还处于不断完善的阶段，没有一个公认的、被广泛接受的 设计理论。 事实上，不少学者对渣浆泵基本原理的某些方面还存在着不同的认识，例如: ( 1 ) 固液两相运动的能量方程 ( 2 ) 固液两相流动中固相运动方程 ( 3 ) 叶轮内部的固液两相运动分析 ( 4 ) 叶轮中固体颗粒的受力分析 第 i 章概述 许多学者根据自己的认识和体会，提出了 相应的渣浆泵设计方法，并应用到实 际中，也取得了一定效果。不过，不少设计方法还包含相当多的经验因素，往往需 要借用清水泵的一些经验公式，再加以适当修正。 因此，应加强对渣浆泵设计理论的研究。 l . 2 离心式渣浆泵的发展 1 . 2 . 1 国外渣浆泵的发展 1 .概况 近年来， 在现代科学技术的推动下， 国外渣浆除了在科研方面不断取得进展以 外，渣浆泵在生产技术、生产规模、产品技术水平和市场服务水平等方面都有了较 大发展。渣浆泵产品朝着高寿命、高效率、多品种和提高三化 ( 零部件标准化、通 用化、产品系列化)水平方向发展。 根据 1 9 9 9 年9月的统计资料ca e l ，目 前，世界上专门从事渣浆泵生产的主 要公 司约二百三十家 ( 其中我国石家庄水泵厂名列其中) 。其中许多公司，例如:美国 工 t t 流体技术公司、古尔茨泵公司、沃辛顿泵公司;澳大利亚w a r m a n 国际设备有限 公司;德国k s b 公司、里茨泵公司:法国f a p m o 公司、 m o r e t -k e s t n e r 泵公司;荷 兰h o l t h u 工 s b v 泵公司和英国 威尔泵公司 等生产的各类渣浆泵设计先进、 结构合理、 寿命长、效率高、三化程度和可靠性高，广泛应用于各种渣浆泵输送系统，在世界 上享有较高的声誉。 2 . 渣浆泵的性能指标 根据实际使用要求，目 前国外离心式渣浆泵常用尺寸己 发展到 7 5 -7 5 0 m m( 吐 出口 径) ; 流量1 - 1 0 0 0 0 m / h ; 扬程2 - 2 2 0 m ; 使用温度范围 - 1 0 0 - 4 0 0 c ; 一 般的 效 率在7 5 % 以上， 最高可达9 0 % 。 尺寸最大的常用于挖泥和大型污水处理厂。 轻型泵如 用于现场排水的泵尺寸在 3 8 - 3 0 0 m m 。其它工业流程用泵 ( 如采矿、选矿、化工、 石油、食品用泵)尺寸常在2 5. 4 0 0 m m 范围内，流量1 0 -3 0 0 m / h ，扬程3 - 1 0 7 m . 3 渣浆泵技术发展 渣浆泵技术的发展一方面与整个泵行业技术发展密切相关，另一方面也呈现出 渣浆泵技术的一些突出特点。 ( 1 )渣浆泵在设计和制造方面呈现的明显 特点是 c a d / c a m技术的 不断发展与推广 应用。 目前，国外许多泵制造厂正在采用最先进的设计和制造技术来改变其产品设计 和制造的方法。 利用先进的计算机辅助设计和制造技术，不仅保证了产品设计质量， 而且大大缩短了设计和制造周期，提高了产品设计能力，实现了设计方案最优化， 从而使制造厂商可以迅速推出各种关键零部件的新设计，并确保其可靠性。在渣浆 泵制造技术方面，数控机床和加工中心己经普及，逐步向柔性制造单元和柔性制造 系统甚至计算机集成制造系统 ( c i m s ) 过渡。总之， c a d和c a m技术革新了 渣浆泵 的设计和加工制造方法。并使成本降低，而且适应市场需求变化的灵活适应性明显 提高。预计今后这一技术将会被更加广泛采用。 ( 2 ) 渣浆泵的结构设计不断趋于合理， 继续朝着易 拆、 易装、 便于维修方向 发展。 单级单吸闭式叶轮离心渣浆泵仍然占大多数。 双泵壳结构仍然是强磨蚀渣浆泵 的基本结构形式。但最近美国黑兹尔顿泵公司生产的立式液下渣浆泵采用双吸双泵 壳结构，这种结构与普通单吸泵结构相比，优点是适合于采用双吐出管，减小侧向 第 1 章概述 流体推力，缩小吐出口 直径。近年来，渣浆泵在结构上的引人注目 的改进是泵设计 成后开门结构， 以 便不必拆卸管路就能对泵进行维修。 德国k s b 公司和瑞典s a l a 公 司均已 制造出采用上述结构的泵产品。国外渣浆泵轴承、托架等部件的绝大多数零 件可以互换。轴承设计寿命在 5 0 0 0 0小时以上。例如，澳大利亚沃曼公司生产的渣 浆泵只有9 种轴泵体，就能满足6 个系列、8 1 个品种、近千个规格产品的需要。轴 承体按转速和功率分档， 转速范围 达 3 5 0 -3 8 0 0 r / m i n ， 功率 1 0 - 3 5 0 0 英制马力。 泥浆泵所用轴承体和托架也可以 跨系列地应用于挖泥泵和砂砾泵系列。 ( 3 ) 国外渣浆泵在水力设计上的不断进步得益于对固液两相流渣浆泵研究的不 断深入所取得的成果。 在叶轮水力设计上，除了 根据固液两相流特点选择合理的叶片进出口 参数外， 更加注意叶片型线的选择。在泵壳 ( 护套)的设计上，重视与叶轮的正确匹配，尤 其强调隔舌区的设计。环形和准螺旋形结构护套各自 应用于不同场合，后者应用得 更广泛。护套截面形状多数为矩形。另外，国外泵公司对流型的研究也很重视，良 好的流型不仅可以提高效率，还可以降低磨损。 ( 4 ) 密封技术 国外离心渣浆泵采用的密封式主要有普通填料密封、 流体动力密封、 机构密封 或者组合密封。最常用的是普通填料密封和流体动力密封，而机械密封一般只用于 小型渣浆泵中。 最近， 荷兰工 h c 公司将原为 挖泥泵研制的新型液力 ( l i q u i d - d y n e ) 密封有效地用于渣浆泵中。 ( 5 ) 渣浆泵抗磨材料技术 目 前国外渣浆泵用材料己 经形成较完整的系列，品种规格齐全。 常用的抗磨材 料有硬镍铸铁、高铬铸铁、奥氏体锰钢、镍铬钢、橡胶、塑料和陶瓷等。 1 .2 .2 我国 渣浆泵的发展 1 .我国渣浆泵发展的几个阶段 根据我国渣浆泵在不同时期的发展特点，可以大致分为三个阶段。即:国产泵 阶段，引进技术泵阶段和自 主开发泵阶段。 ( 1 ) 国产泵阶段 1 9 8 0 年以前我国所使用的渣浆泵，都是五、六十年代按苏联标准设计生产的， 如四、 川, p s , p b 型渣浆泵， 吐出口 径从4 - 1 2 英寸; 流量3 0 - - 4 0 0 l / s ; 扬程1 0 - 9 0 m ;清水效率3 0 - 6 5 % 。 这些泵普遍存在水力设计落后、结构不合理、品种少、 效 率低、 寿命短暂和可靠性差，而且不能多级串联使用、传动形式单一的缺点。 ( 2 ) 引进技术阶段 为了 满足国内渣浆泵用户不断提高的要求和解决我国渣浆泵老产品存在的各种 问题，从八十年代初开始，我国渣浆泵采取了引进技术的手段来提高产品的质量。 八十年代初石家庄水泵厂引进了澳大利亚w a r m a n 泵公司全系列泵， 共6 个系列， 7 8 个品种细 。即:渣浆泵 ( a h , h , m , h h , l ) ;液下渣浆泵 ( s p ) : 砂砾泵 ( g , g h ) c 泡沫泵 ( a , a f ) ; 溶液泵 ( s , s h ) ; 挖泥泵 ( d ) 。 流量3 - 2 0 0 0 m / h ， 扬程6 -1 2 0 m , 系列完整， 适用范围广，有1 6 种不同金属和橡胶材料供选用，适合各种不同工况、 不同介质的使用要求，基本可以 满足使用渣浆泵各行业的需要。产品性能居国际八 十年代水平， 表现在水力设计先进、 结构合理; 泵的效率指标比同类泵平均提高6 - 1 0 % ; 使用寿命平均比国内同类泵提高1 -2 倍以 上: 系列化、 通用性广:同型泵中， 不同材料的护套可完全互换;各系列泵均有5 种传动方式、2 种轴封形式。 随后，我国又引进了西德里茨公司、k s b公司的渣浆泵共 7个系列。通过技术 第 ) 章概述 引进，使我国渣浆泵的技术水平得到很大提高。 ( 3 )自 主开发阶段 我国自 主开发固液两相流渣浆泵始于“ 七五” 期间。1 9 8 6 年，由数家科研院所 和有色行业企业 ( 包括长城铝业公司、 贵州铝厂等) 参加的“ 研制高效离心杂质泵” 作为中国有色金属总公司 “ 七五”科技重点开发项目 开始实施。该项目 实施以来， 已 经设计了多种离心渣桨泵，泵的性能试验和生产使用效果都良 好s o )随后，由 煤 炭科学研究院唐山分院设计的b z 和j z 系列渣浆泵以及l z 系列渣浆泵经现场使用取 得了良 好 效果5 1 1 , (5 . , e 1 9 9 3 年， 冶金部召 开了 冶 金矿山j z 系列 渣浆泵现场应用推广 会x5 3 ) 。 在“ 七五” 期间， 水 利部电 力科学研究院、 清华大学也开发了 用于代替老 产 品的两相流渣浆泵。九十年代以来，清华大学把该项国家级科技成果 “ 固液两相流 节能泵的 研究” 加以 推广应 用:5 4) ， 开发了x 系列 ( x g , x a , x b ) 渣浆泵， 在现场使 用中 取得了良 好的 效果15 47 。 例 如在山 西铝厂已 逐步 取代原来的k a , k c 和l z 等泵型 55 ) ， 此外， 在九十年 代初， 为了 使国内 渣浆泵整体水 平达到先 进国 家水平， 国 家经 委对国家级重点科技攻关项目 重型系列渣浆泵的研制 ( 该项目 列入 “ 八五重点 企业技术开发项目” ) 投入了大量资金， 并由石家庄水泵厂承担研制任务， 开发了z g b 系列渣浆泵，于1 9 9 5 年通过部级鉴定，达到了九十年代国际先进水平。 2 . 对我国渣浆泵发展的几点思考 经过2 0 多年的发展， 我国固液两相流渣浆泵的技术水平有了很大的提高， 但是， 为了 解决渣浆泵行业中 存在的问题，面对日 益提高的用户要求和激烈的国内 外市场 竞争，必须加强我国渣浆泵的研究、研制开发和交流合作。 ( 1 ) 要大力加强对渣浆泵技术的研究， 提高我国 渣桨泵技术的总体水平。 科研院所和渣浆泵企业在加强研究，多出 成果的同时， 应更加努力做好科研成 果转化为生产力的工作。科研院所和渣浆泵生产企业联合进行共同 研究和开发显得 非常有必要，科研院所往往在研究方面有优势，而企业除了在资金上的优势外， 更 重要的是具备把研究成果转化的条件，如制造、测试、试验和市场条件等。 当前， 我国渣浆泵应对以下关键技术进行重点研究:固液两相流基本理论;固 液两相流泵设计理论与设计方法; 渣浆泵过流部件的损坏机理以及抗磨、 耐腐蚀、 耐高低温、耐高压材料的研制;渣浆泵c a d / c a m 技术和铸造工艺技术;渣浆流变特 性和输送渣浆时的性能测试技术:轴承、密封等基础件的研制等。 ( 2 ) 要加快新产品的开发， 加速对重型、 大容量渣浆泵的研制 应该看到，我国泵产品的进口 额是很大的，其中 渣浆泵所占的比 重相当大。 为了改变上述状况，应采取相应的措施: 首先，应采用多种手段提高已有渣浆泵的总体质量水平。 其次， 在加快新产品开发方面，主要是发展耐磨、耐腐蚀、耐高低温和耐高压 等 “ 四耐” 产品，以满足不同的使用条件。 第三， 要完善产品系列，向 产品广度方向发展。要从小到大，纵向 完善产品的 规格， 在档次上形成系列; 对不同规格产品， 横向 完善品种， 在用途上形成广泛性。 在加速重型、大容量渣浆泵研制方面， 其意义更加重大。因为这类泵的技术水 平是一个国家渣浆泵总体技术水平的最好体现。 把这类技术含量高的泵搞上去，不 仅可以代替进口 产品，为国家节约外汇，而且会带动我国渣浆泵及相关技术的快速 发展，使我国渣浆泵技术进入先进国家行列。 第 i 章概述 t 3 ) 渣浆泵企业要加强管理，加强与国内外泵公司和科研单位的交流合作， 积 极参与国内国际市场的竟争， 迎接，i i t o 带来的挑战。 1 . 3离心式渣浆泵的设计理论和原则 渣浆泵抽送的是固液两相流体，而不是单相流体， 其合理的设计方法应与清水 泵有本质区别。由于泵内固液两相流动的复杂性，人们对泵内的两相流动情况认识 仍不够充分，直到目 前为止，仍然没有建立公认的渣浆泵两相流设计方法。国内 外 一些研究者从各个角度就渣浆泵的设计理论、设计方法以及设计原则进行了 探讨。 欧美、 俄罗斯等国家进行了许多研究工作， 但多倾向于渣浆泵的外特性和内部流动 研究。 俄罗斯对固液渣浆泵的设计理论和设计方法做了不少工作，出版的有关专著 和公开发表的论文对渣浆泵的设计很有参考价值。日 本、欧美等国侧重于固液泵理 论研究方面，很少公开渣浆泵设计方面的技术。 芬 1 . 3 .1离心式渣浆泵的一相流设计理论 虽然利用离心泵来输送固液混合物已 经有一百多年的历史了， 但是长期以 来渣 浆泵的设计却是以一相流理论为基础，即按清水泵的设计理论来设计输送固液两相 流体的离心渣浆泵。我国在1 9 8 5 年以前使用的离心渣浆泵，包括从国外引进的泵， 其设计理论大都以 一相 流理论为基 础， 即 假定+ l , i . 通过叶轮的液流视为不可压缩的一相流体。 2 . 通过叶轮的液流， 视为无数层流面的总和，每个层流的流动互不相干。 3 .叶片数无穷多，液体在叶片间的 流动为 轴对称。 以上述三条假设为基础得出清水