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、湖泊的開挖、清於，疏浚等水利工程。98年的特大洪水使全國各地都把興修水利當(dāng)作一件大事來抓，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發(fā)越來越受到重視。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?；郏拷~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，國內(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，流場也有重大影響，但固體顆粒對(duì)流場的影響較大，可能引起較大的流場畸變。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)顆粒來說更是如此。1.2 磨損機(jī)理 現(xiàn)代的流場分析與流動(dòng)測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，Ri0，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，而邊界層外主流的液流速度較高，這樣就形成了如圖2所示的

7、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。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的局部磨損失效。離心泵葉輪一般葉片數(shù)較少，不能假

8、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。為了減少分層效應(yīng)，必須加長流道以減少葉片單位長度上的載荷，

9、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，并且葉輪通道的當(dāng)量擴(kuò)張角一般小于10。當(dāng)然，過分加長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)際流場來看，固體顆粒有趨向于葉片工作面的趨勢，只是對(duì)于質(zhì)量(密

10、度及粒徑)的影響不同，趨向的速度和位置不同。而質(zhì)量的影響與流場有關(guān)，如果射流 尾流結(jié)構(gòu)強(qiáng)，則流場對(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)，流場對(duì)顆粒質(zhì)量的影響將較小。顯然，從泵實(shí)際流場分析可知，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的理論分析沒有考慮到實(shí)際流場的復(fù)雜性，其計(jì)算流場是用有限元計(jì)算的葉輪S1流面的液體速度場，沒有考慮到射流 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)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

11、、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

12、盾的。這里采用國內(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，至今還沒有可以準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)速的理論或經(jīng)驗(yàn)公式。目前國內(nèi)外有關(guān)研究資料推薦使用“磨損相似系數(shù)”來指導(dǎo)轉(zhuǎn)速的選擇6:Hn/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=150；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)

13、由流場分析知：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H85m，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=(0.1175ln ns-0.3727)D2(8)4)葉片進(jìn)口角度：考慮磨損和防堵塞,一般葉

14、片進(jìn)口邊的厚度取稍厚。對(duì)于細(xì)顆粒,1=1825；對(duì)于輸送磨蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，1=3040。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，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

15、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=2030；反之，粒徑小時(shí)應(yīng)認(rèn)小的出口角，2=1525。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，兩者之間有密切聯(lián)系。以前為達(dá)到較高

16、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t70%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29408010010026020332415580NLP2400809586

17、220242525155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/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，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