固液兩相流離心泵磨損機(jī)理和葉輪的設(shè)計(jì)

1、固液兩相流離心泵磨損機(jī)理和葉輪的設(shè)計(jì)陳紅生 朱祖超 王樂(lè)勤(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所)摘 要 本文研究了固液兩相流離心泵磨損機(jī)理，指出離心泵內(nèi)葉輪出口附近的射流 尾流結(jié)構(gòu)是離心泵內(nèi)的局部磨損的重要原因。理論分析、試驗(yàn)結(jié)果及工業(yè)應(yīng)用表明：采用小葉片出口角2、少葉片數(shù)Z和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。關(guān)鍵詞 固液兩相流，離心泵，磨損，設(shè)計(jì)。本文于1999年2月23日收到。目前固液兩相流離心泵廣泛應(yīng)用于江、河、湖泊的開(kāi)挖、清於，疏浚等水利工程。98年的特大洪水使全國(guó)各地都把興修水利當(dāng)作一件大事來(lái)抓，而江河湖泊的清於疏浚被大家公認(rèn)為最有效的措施之一，因此固液兩相流離心泵的研究開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。由

2、于江河湖泊的水流中含有大量泥沙，在實(shí)際應(yīng)用中，固液兩相流離心泵的過(guò)流部件都存在嚴(yán)重的磨損，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)。本文根據(jù)對(duì)離心泵磨損的研究，認(rèn)為顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及分布與泵內(nèi)流場(chǎng)有很大關(guān)系，而這些因素極大地影響了離心泵的磨損，因此有必要深入研究固液兩相流離心泵內(nèi)流場(chǎng)對(duì)磨損的影響。1 離心泵內(nèi)磨損機(jī)理1.1 離心泵磨損研究情況 應(yīng)用表明：葉輪是固液兩相流離心泵內(nèi)磨損最嚴(yán)重的零件，而葉輪出口處又是葉輪中磨損最嚴(yán)重位置之一，磨損后的出口端部極薄，呈鋸齒狀。葉片工作面與后蓋板相交棱角處有很深的條形溝紋，這種條形溝在葉片工作面的不同部位深度和寬度不同，一般在葉輪出口附近最深，甚至有可能使葉

3、片或后蓋板洞穿。葉片非工作面上有凹凸不平的麻坑，但相對(duì)工作面磨痕較淺。葉片入口附近有帶形凹坑，個(gè)別凹坑很深甚至使后蓋板洞穿而導(dǎo)致葉輪失效。葉輪前后蓋板內(nèi)表面有顆?；?，除靠近葉片工作面位置外，磨損較輕；外表面光滑、有均勻磨損痕跡。葉輪磨損狀況如圖1。圖1 葉輪顆粒運(yùn)動(dòng)和磨損情況圖2 離心泵內(nèi)的尾流近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多名學(xué)者進(jìn)行了離心泵葉輪磨損進(jìn)行了研究。但他們基本上都是通過(guò)對(duì)固體顆粒在葉輪中的運(yùn)動(dòng)軌跡的分析和用數(shù)值分析的方法來(lái)研究葉輪的磨損。因此，形成了幾種不同的結(jié)論：(1)沙利亞、蘇波隆、朱金曦和趙敬庭等進(jìn)行了試驗(yàn)或計(jì)算，認(rèn)為顆粒質(zhì)量越大，其運(yùn)動(dòng)軌跡越偏離葉片工作面1，該觀點(diǎn)為較多學(xué)者認(rèn)同；

4、(2)赫比奇、趙振海則認(rèn)為顆粒質(zhì)量越大，其運(yùn)動(dòng)軌跡越靠近葉片工作面2，支持該觀點(diǎn)的學(xué)者不多，但有一些試驗(yàn)證實(shí)；另外，日本學(xué)者板谷樹(shù)認(rèn)為質(zhì)量對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡的影響不大3，但贊同者極少。這些觀點(diǎn)都有一些理論或試驗(yàn)基礎(chǔ)，但結(jié)論卻截然不同，筆者認(rèn)為這與他們的試驗(yàn)條件以及理論簡(jiǎn)化等有較大差異有關(guān)，尤其存在缺乏對(duì)實(shí)際液流流場(chǎng)分析這一重大缺陷。本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為在低濃度情況下，離心泵內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)顆粒分布和軌跡具有決定性意義，即使在高濃度情況下，流場(chǎng)也有重大影響，但固體顆粒對(duì)流場(chǎng)的影響較大，可能引起較大的流場(chǎng)畸變。由于目前實(shí)際應(yīng)用和試驗(yàn)大都為低濃度情況，本文對(duì)高濃度情況暫不討論。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，這個(gè)低濃度

5、范圍可達(dá)35%(重量濃度)，對(duì)單個(gè)顆粒來(lái)說(shuō)更是如此。1.2 磨損機(jī)理 現(xiàn)代的流場(chǎng)分析與流動(dòng)測(cè)試研究表明離心葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)速度較小的尾流區(qū)和近似于無(wú)粘性的射流區(qū)所組成(圖2)， 射流結(jié)構(gòu)尾流區(qū)緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區(qū)愈寬，射流 尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著射流 尾流結(jié)構(gòu)愈強(qiáng)，葉輪內(nèi)的損失也就愈大。尾流的形成與發(fā)展是邊界層的發(fā)展、二次流的發(fā)展、流動(dòng)分離和分層效應(yīng)等因素相互影響相互促進(jìn)而形成的。簡(jiǎn)而言之，就是由于葉輪流道內(nèi)的液流受到葉片作功作用不均勻，靠近葉片工作面強(qiáng)而靠近非工作面弱，在逆向壓力梯度作用下，靠近出口處非工作面的邊界層容易產(chǎn)生分離，使

6、液流在邊界層附近產(chǎn)生回流和脫流，形成尾流區(qū)。相對(duì)流線方向的旋渦是由兩個(gè)因素產(chǎn)生：流線曲率和旋轉(zhuǎn)角速度。對(duì)于具有后彎型的離心葉輪，其通道上的邊界層同時(shí)受到曲率和旋轉(zhuǎn)的影響，考慮后彎葉輪的實(shí)際流動(dòng)情況，引入一個(gè)綜合反應(yīng)曲率和旋轉(zhuǎn)的Richardson數(shù)Ri4，即：(1)對(duì)工作面上的邊界層而言，Ri<0，而對(duì)非工作面上的邊界層，Ri>0，也即工作面上的邊界層是不穩(wěn)定的，而非工作面上的邊界層是穩(wěn)定的。由于受到葉輪流道內(nèi)的二次流的影響，工作面不穩(wěn)定邊界層里的低能微團(tuán)就會(huì)通過(guò)前、后蓋板進(jìn)入非工作面上的邊界層，致使非工作面的邊界層越來(lái)越厚，而工作面上的邊界層則很薄，邊界層里的液流速度較低，而邊界

7、層外主流的液流速度較高，這樣就形成了如圖2所示的尾流 射流結(jié)構(gòu)。葉輪中的損失集中在尾流區(qū)，其間只有葉輪通道總流量的一小部分流體穿過(guò)。在尾流區(qū)與射流區(qū)之間，存在著具有一定速度梯度的區(qū)域。速度梯度過(guò)大，會(huì)形成射流 尾流剪切層，由于哥氏力及流線曲率的存在，射流 尾流不可混摻。尾流區(qū)的存在是真實(shí)流動(dòng)效應(yīng)的綜合反映，它不僅影響葉輪的效率，而且將大大增加蝸殼內(nèi)的流動(dòng)損失。在徑向與前向葉輪中尤其明顯，而低比轉(zhuǎn)速離心泵的葉輪就是徑向葉輪。射流 尾流水力結(jié)構(gòu)一方面消耗了很大的能量，致使揚(yáng)程和效率下降，另一方面使葉片工作面和后蓋板內(nèi)壁的磨損加劇，尤其在靠近葉輪出口兩者的交接處，磨損十分劇烈，常導(dǎo)致固液兩相流離心泵

8、的局部磨損失效。離心泵葉輪一般葉片數(shù)較少，不能假定速度沿通道方向線性分布，如葉片上的載荷較大，即使考慮了粘性的影響，從總體上講吸力邊與壓力邊的速度差也會(huì)較大，從而導(dǎo)致通道法向方向上速度梯度較大。葉片數(shù)減少時(shí)，如葉形變化不大，則相對(duì)速度變化不大，若不減小通道寬度，速度梯度的增加分層效應(yīng)增加，因此葉輪葉片的包角應(yīng)加大，即采用大后彎式，以減小通道寬度，增加相對(duì)速度。分層效應(yīng)與葉片的吸力邊、壓力邊的速度差有關(guān)，即與葉片上的載荷有關(guān)。欲減小分層效應(yīng)必須減小葉片上的載荷。為了減小流道的磨阻損失及提高抗空蝕性能等因素，經(jīng)常適當(dāng)?shù)販p少葉片數(shù)，但葉片數(shù)減少后，將使葉片上的載荷增加，從而使分層效應(yīng)增加。為了減少分

9、層效應(yīng)，必須加長(zhǎng)流道以減少葉片單位長(zhǎng)度上的載荷，因此葉片數(shù)較少的葉輪，其葉型總是取大后彎的形式，一般葉片數(shù)越少，葉片越長(zhǎng)，并且葉輪通道的當(dāng)量擴(kuò)張角一般小于10°。當(dāng)然，過(guò)分加長(zhǎng)流道將增加流道的壁面磨擦損失，反而不利于效率的提高。對(duì)于定常運(yùn)動(dòng)的顆粒運(yùn)動(dòng)受力分析可知，在每一顆粒軌跡線上只有一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)速度能滿足平衡方程。相對(duì)于平衡軌跡上的顆粒速度過(guò)大或不足都將引起附加的哥氏力與離心力的指向，比平衡流動(dòng)所要求慢的顆粒，傾向于移向吸力邊，比平衡流動(dòng)所要求的速度快的顆粒傾向于移向壓力邊，這就是所謂的顆粒運(yùn)動(dòng)的分層效應(yīng)。因此對(duì)固液兩相流泵，除了考慮液相的分層效應(yīng)，還應(yīng)考慮固相的分層效應(yīng)。從實(shí)際

10、流場(chǎng)來(lái)看，固體顆粒有趨向于葉片工作面的趨勢(shì)，只是對(duì)于質(zhì)量(密度及粒徑)的影響不同，趨向的速度和位置不同。而質(zhì)量的影響與流場(chǎng)有關(guān)，如果射流 尾流結(jié)構(gòu)強(qiáng)，則流場(chǎng)對(duì)顆粒質(zhì)量的影響將較大，當(dāng)設(shè)計(jì)較合理，射流 尾流結(jié)構(gòu)弱時(shí)，流場(chǎng)對(duì)顆粒質(zhì)量的影響將較小。顯然，從泵實(shí)際流場(chǎng)分析可知，射流 尾流結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡具有決定性影響，從而影響泵的磨損。同時(shí)實(shí)際流場(chǎng)分析也很好地解決了上述不同觀點(diǎn)之間的矛盾。觀點(diǎn)1的理論分析沒(méi)有考慮到實(shí)際流場(chǎng)的復(fù)雜性，其計(jì)算流場(chǎng)是用有限元計(jì)算的葉輪S1流面的液體速度場(chǎng)，沒(méi)有考慮到射流 尾流結(jié)構(gòu)，因此得到的結(jié)果有一定的局限性。但觀點(diǎn)1的試驗(yàn)正是采用小出口角、少葉片數(shù)等有利減弱射流 尾流結(jié)

11、構(gòu)的葉輪，因此，試驗(yàn)與理論較相符。而觀點(diǎn)2的試驗(yàn)采用大出口角、多葉片數(shù)的葉輪，因此其射流 尾流結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，對(duì)較大質(zhì)量的固體顆粒，在進(jìn)入葉輪的初期受流*的后期受射流 尾流結(jié)構(gòu)的影響較大，將越來(lái)越趨近工作面。2 設(shè)計(jì)方法固液兩相流離心泵的主要問(wèn)題是磨損，效率次之。為了提高泵的抗磨性，除考慮材料外，還應(yīng)從實(shí)際流場(chǎng)出發(fā)，對(duì)葉輪進(jìn)行合理設(shè)計(jì)等。2.1 材料的選擇 本文中的泵所針對(duì)的運(yùn)行工況為負(fù)200目的砂粒，顆粒多為堅(jiān)硬的角狀，濃度高，屬于較小顆粒分散系的第一類介質(zhì)，但具有很強(qiáng)的磨蝕性。固液兩相流離心泵內(nèi)的磨損主要有兩種類型：切削磨損和疲勞磨損。對(duì)切削磨損要求材料硬度高，對(duì)疲勞磨損則要求材料韌性好，因此理

12、想的耐磨材料應(yīng)該是同時(shí)具有很高的硬度和韌性，但實(shí)際中往往是矛盾的。這里采用國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較成熟的Cr15Mo3，應(yīng)用表明這種材料能滿足輸送介質(zhì)要求。2.2 設(shè)計(jì)方法2.2.1 比轉(zhuǎn)數(shù)的選擇 比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)泵的磨損有重要的影響。對(duì)于特定的工藝條件，流量、揚(yáng)程往往是給定的，此時(shí)比轉(zhuǎn)數(shù)的選擇轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速的選擇。有些研究表明5，固液兩相流泵的磨損甚至與轉(zhuǎn)速n成5次方關(guān)系。但由于磨損的復(fù)雜性，至今還沒(méi)有可以準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)速的理論或經(jīng)驗(yàn)公式。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究資料推薦使用“磨損相似系數(shù)”來(lái)指導(dǎo)轉(zhuǎn)速的選擇6:H·n/1000K(2)式中的常數(shù)K與泵的規(guī)格尺寸和介質(zhì)磨蝕性強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)水泵、磨蝕性較弱的情況，K=1

13、50；對(duì)大泵、磨蝕性較強(qiáng)的情況，K=100.2.2.2 葉輪的主要參數(shù) 由流場(chǎng)分析知：采用小葉片出口角2、少葉片數(shù)Z和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。故在葉輪設(shè)計(jì)如下：1)葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑：(3)式中K0為進(jìn)口直徑系數(shù)，K0=3.54.5.如有輪轂，則輪轂直徑dh由相連的軸徑?jīng)Q定。此時(shí)7，葉輪進(jìn)口直徑：(4)2)葉輪出口直徑：(5)(6)對(duì)于H85m，當(dāng)ns80時(shí)，按式(5)，否則按式(6)；對(duì)于H<85m，當(dāng)ns60時(shí)，按式(5)，否則按式(6)；3)葉片進(jìn)口寬度：進(jìn)口寬度可以根據(jù)流速來(lái)確定：Vm1=(0.81.0)Vs(7)Vs為進(jìn)口流速，同時(shí)考慮流動(dòng)變化均勻：b1=(0.117

14、5ln ns-0.3727)D2(8)4)葉片進(jìn)口角度：考慮磨損和防堵塞,一般葉片進(jìn)口邊的厚度取稍厚。對(duì)于細(xì)顆粒,1=18°25°；對(duì)于輸送磨蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，1=30°40°。5)葉片出口寬度：    為滿足所需的揚(yáng)程和減輕磨損，認(rèn)大的葉片出口寬度，這樣一方面降低了葉輪出口處的相對(duì)速度，減小葉輪磨損，防止堵塞，另一方面減小了離心泵葉輪出口處的射流 尾流效應(yīng)，均勻了出口流速分布。但出口寬度不宜增加過(guò)大，否則將引起駝峰現(xiàn)象，導(dǎo)致泵運(yùn)行不穩(wěn)定。一般有：(9)其中，強(qiáng)磨蝕條件時(shí)認(rèn)大值，反之認(rèn)小值。離心泵設(shè)計(jì)中存在一最佳葉輪出口寬度，

15、若偏離了這個(gè)寬度，不論出口寬度是增大還是減小，都會(huì)引起泵的關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程和最高效率值下降。6)葉片出口角：    葉片出口角對(duì)泵的性能影響很大，它不但影響揚(yáng)程，而且對(duì)性能曲線的形狀有影響。其值和固體顆粒粒徑d50、濃度Cw等有關(guān)。根據(jù)顆粒在葉輪中的運(yùn)動(dòng)軌跡分析可知：粒徑大時(shí)，它在葉輪流道內(nèi)流動(dòng)的曲率較大，和葉片工作面接觸相對(duì)較少，出口角可較大，取2=20°30°；反之，粒徑小時(shí)應(yīng)認(rèn)小的出口角，2=15°25°。為了減弱射流 尾流結(jié)構(gòu)，固液兩相流泵亦采用較小的葉片出口角，這樣在較少葉片數(shù)時(shí)可得到較高的揚(yáng)程和穩(wěn)定性，并可盡量減少顆粒

16、碰撞葉片工作面。同時(shí)減少2可使進(jìn)入壓出室的流體流動(dòng)速度減小，對(duì)降低壓出室水力損失及壓出室的磨損均是有利的。7)葉片數(shù)    固液兩相流泵大都采用較少的葉片以減少磨損，一般Z=47.葉片出口角和葉片數(shù)都對(duì)泵性能有很大影響，兩者之間有密切了解。以前為達(dá)到較高揚(yáng)程一般采用多葉片數(shù)大出口角，這對(duì)固液兩相流泵是很不利的。理論和試驗(yàn)都表明，少葉片數(shù)和小出口角更適合。較少葉片數(shù)可減輕葉輪進(jìn)出口排擠現(xiàn)象，也有利于克服性能曲線的駝峰。3 設(shè)計(jì)實(shí)例與工業(yè)應(yīng)用3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)表1 80NLP設(shè)計(jì)參數(shù)流量Q=60m3/h揚(yáng)程H35m轉(zhuǎn)速n2900rpm功率N15kw工作溫度t<80

17、介質(zhì)重量濃度Cw=2035%固體粒徑：-200目>70%泵進(jìn)口直徑：Ds=100mm泵出口直徑：Dd=80mm3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)表2 葉輪主要尺寸(如圖3)名 稱n(r/min)D0(mm)Dj(mm)D1(mm)D2(mm)1(°)2(°)b1(mm)b2(mm)Z原 泵29408010010026020332415580NLP2400809586220242525155圖3 葉輪主要尺寸示意 圖4 80NPL性能曲線3.3 水力試驗(yàn) 經(jīng)水力試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)流量Q=60m3/h，揚(yáng)程H=36m，效率=71%.試驗(yàn)曲線如圖4所示。3.4 工業(yè)應(yīng)用 原泵在設(shè)計(jì)流量Q=60m3

18、/h時(shí)，揚(yáng)程H=24.5m，效率=30.1%，不能滿足實(shí)際運(yùn)行要求。在實(shí)際運(yùn)行中葉輪磨損嚴(yán)重，最短的僅10余天就局部磨損失效。    改進(jìn)設(shè)計(jì)后的泵已用于錢塘江作為動(dòng)力設(shè)備來(lái)輸送江水，應(yīng)用情況良好，運(yùn)行達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要。經(jīng)三個(gè)月運(yùn)行后觀察葉輪，只有輕微磨損。4 結(jié)論    1)離心泵內(nèi)流場(chǎng)對(duì)磨損起關(guān)鍵作用，特別是葉輪出口附近的射流尾流結(jié)構(gòu)是離心泵內(nèi)的局部磨損的重要原因。    2)固體顆粒都有趨向于葉輪工作面的趨勢(shì)，采用小葉片出口角2、少葉片數(shù)Z和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。    3)根據(jù)水力試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用情況，本文的分析和設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行。參考文獻(xiàn)1 朱金曦，趙敬亨.葉輪內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌