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β2、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

2、。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發(fā)越來(lái)越受到重視。由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

3、損的影響。1離心泵內(nèi)磨損機(jī)理1.11.1離心泵磨損研究情況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

4、甚至使后蓋板洞穿而導(dǎo)致葉輪失效。葉輪前后蓋板內(nèi)表面有顆粒滑痕，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

5、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(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)

6、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

7、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)

8、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。2.12.1材料的選擇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

9、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。2.22.2設(shè)計(jì)方法設(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