基于数值模拟的离心式渣浆泵的叶轮设计研究

顾庆东

摘 要：渣浆泵广泛应用于水利、冶金、煤炭等工业企业中，渣浆泵的工作原理基本同离心泵一样，是通过离心力作用来达到给输送介质增压的过程，由于渣浆泵结构较为复杂，如何准确获得其水力性能，对渣浆泵的使用具有重要作用。本文根据设计参数完成了主要结构及叶轮的设计，利用ICEM进行网格划分，通过CFX软件进行数值模拟，观察分析压力和速度云图，并检验选用介质为清水状况下的扬程，获得了渣浆泵的水力性能。

关键词：渣浆泵;数值模拟;叶轮设计;CFX

Abstract：Slurry pump is widely used in industrial enterprises such as water conservancy，metallurgy and coal.The working principle of slurry pump is basically the same as that of centrifugal pump.It is the process of pressurizing the conveying medium by centrifugal force.How to accurately obtain its hydraulic performance，plays an important role in the use of slurry pumps.In this article，the main structure and impeller design are completed according to the design parameters.The ICEM is used for mesh division.The numerical simulation is carried out by CFX software.The pressure and velocity cloud maps are observed and analyzed，and the selected medium is used as the head under clear water conditions.The slurry pump is obtained.

Key words：slurry pump;numerical simulation;impeller design;CFX

1 概述

渣浆泵具有可变量输送、自吸能力强、可逆转以及能输送含固体颗粒的液体等特点，在现代工业中广泛应用于水利、冶金、煤炭等工业企业当中。特别是当运输物料腐蚀性强、含坚硬固体颗粒时，渣浆泵尤其适用。因此在冶金选矿厂矿浆输送，火电厂水力除灰、洗煤厂煤浆及重介输送以及化工产业输送含有结晶的腐蚀性浆体时，大都要采用渣浆泵[1-2]。

渣浆泵包括多种类型：从叶轮数目划可分为单级渣浆泵和多级渣浆泵;从泵轴与水平面位置可分为卧式渣浆泵和立式渣浆泵;从吸入进水的方式可分为单吸渣浆泵和双吸渣浆泵;从泵壳的结构方式可分为单壳渣浆泵和双壳渣浆泵。渣浆泵的工作原理基本同离心泵一样，是通过离心力作用来达到给输送介质增压的过程。当电动机快速运行时，通过泵轴带动叶轮高速旋转，打开入料阀，物料进入叶轮，叶轮中的叶片迫使物料旋转，在离心力的作用下，物料从叶轮中心流向叶轮边缘，沿着叶片的运动方向高速地流出叶轮，经出料管排出。由于入料位高度高于入料管高度，在大气压的作用下，物料持物料持续不断地进入叶轮，通过叶轮的高速旋转，将物料连续排出，形成周期性的工作[3]。由于渣浆泵结构较为复杂，如何准确获得其水力性能，对渣浆泵的使用具有重要作用。

2 葉轮的水力尺寸设计

叶轮是渣浆泵的重要组成元件，在泵的运转过程中起着关键作用。叶轮结构包括叶片和盖板，本设计的叶轮是由一组扭曲叶片和两个个盖板以及背叶片构成。水泵叶轮上的叶片又起主要作用，水泵叶轮的形状和尺寸与水泵性能有密切关系。叶轮水力设计的好坏，对于泵的扬程、流量、效率和特性曲线的几何形状等都有一定的影响。叶轮造型曲线的光滑性越好，泵的水力性能和可靠性也越好。因此，在叶轮造型过程中要着重考虑叶片的光顺度。

渣浆泵的叶轮的主要几何尺寸有：叶轮进口直径D0=130mm、叶片进口直径D1=100mm、叶轮出口直径D2=390mm、叶片进口宽度b1=30mm、叶片进口角β1=25 o、叶轮出口宽度b2=22mm、叶片出口角β2=20o、叶片数z=50、叶片包角φ=144o等。如图1所示。

3 叶轮的建模及数值计算

已有较多的国内外学者利用数值模拟的方法对渣浆泵进行分析优化[4]，本文中叶轮建模的主要步骤如下：

（1）由于叶轮前后盖板形状较为简单，可直接根据设计的尺寸绘制草图并进行凸台拉伸，拉伸的厚度根据之前的计算结果确定;

（2）在叶轮进口处进行圆角处理，可有效减少水流阻力，圆角半径由计算得出;

（3）根据叶轮计算部分确定的型线，绘制在平面草图上后，可根据不同的角度对应不同的半径，使用软件中的样条曲线绘制，并利用投影曲线进行反转投影，形成叶片工作面和前盖板交线附着在上盖板内表面上，同理，叶片工作面和后盖板交线附着在后盖板内表面上;

（4）在两条曲线之间的入口处，中间段，出口处绘制叶片截面，截面形状为矩形，叶片厚度采取中间厚，进出口偏薄的原则;

（5）利用放样命令，以前后盖板上的曲线为引导线，选取步骤四中三个截面为约束，进行放樣拉伸，再进行阵列，形成一组扭曲的叶片;

（6）背叶片根据设计尺寸进行简单的拉伸，切除，阵列等。注意，前后盖板各需要一组。最后，按照要求对各部位倒圆角。

最终叶轮建模结果如图2所示：

（a）轴测（b）正面

（c）剖面

图2 叶轮三维图

叶轮建模完成后，需要提取液体流域进行模拟分析[5]，主要依靠组合删减的命令，提取出的流域如图3所示：

图3 叶轮流域

通过CFX数值扬程可知，选用清水作为介质时渣浆泵的扬程约可以达到43m，进出口的能量差为14620w。

图4 速度分布图图5 流线图

对于流域速度分布分析可知，流体在叶轮内的速度分布呈现一定的规律性，从叶片进口至叶片出口速度逐步增加，从图4和图5中可以看出，叶片的工作面上的速度明显比叶片背面的速度大。蜗壳中的速度不大，因为流体流入蜗壳后，动能转化为流体的压能，速度逐渐减小，隔舌处出现低速区。从整体上来看，整个流道的速度分布和理论分析相符[6]。

图6 静压分布图图7 总压分布图

对于压力分布进行初步分析如图6和图7所示。可看出，在叶片的进口附近会形成低压区，当液体的压力低于液体的饱和蒸汽压时，在该区域很容易出现汽蚀现象，本设计低压区面积较小，压力不是很低，避免汽蚀现象的发生。沿叶片流线方向，叶轮对流体做功，流速增加，叶轮流道的静压增加。蜗壳内的总压分布整体较为平稳，围绕叶轮出现明显的压力梯度，泵的总压在叶片进口处较小，在叶轮出口处达到最大值。静压沿着蜗壳逐渐增加，动压沿着蜗壳逐渐减小，符合流体运动规律。

4 结论

通过查阅各类文献的基础上，根据设计参数完成了主要结构的设计，包括叶轮，压水室的水力设计，利用三维软件对叶轮，涡室进行建模，提取流域;最后，利用ICEM进行网格划分，通过CFX软件进行数值模拟，观察分析压力和速度云图，并检验选用介质为清水状况下的扬程，通过数值模拟可以很好地获得渣浆泵的水力性能，为其进一步优化奠定了基础。

参考文献：

[1]沈宗沼.国内液固两相流泵的设计研究综述[J].流体机械，2006（03）：32-38.

[2]韦章兵，温雪峰，周长春.渣浆泵的研究及发展方向[J].排灌机械，1998（04）：3-6.

[3]许洪元.离心式渣浆泵的设计理论研究与应用[J].水力发电学报，1998（01）：9.

[4]Shahram D，Maryam P，Ehsan A，Amin R，Ashkan O.Numerical shape optimization of a centrifugal pump impeller using artificial bee colony algorithm[J].Computers and Fluids.2013，81（20）：141-151.

[5]陈倩，章本照，崔良成.离心风机三元流场的准正交面法计算[J].杭州应用工程技术学院学报，2000（S1）：21-23.

[6]李仁年，徐振法，韩伟，苏吉鑫，王浩.渣浆泵内部流场数值模拟与磨损特性分析[J].排灌机械，2007（02）：5-8.