深海采矿扬矿泵导叶区域粗颗粒通过特性试验研究

蔡 超，邱 灏，曹 斌，夏建新

(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)

深海采矿扬矿泵导叶区域粗颗粒通过特性试验研究

蔡 超，邱 灏，曹 斌，夏建新

(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)

在深海采矿系统中，海底矿石必须经过扬矿泵才能提升到海面船上，但矿石粒径较粗，容易在泵体中形成堵塞，尤其是在扬矿泵导叶区域，因此，研究粗粒在导叶中的运动特性对于保障系统安全工作具有重要意义。针对深海矿物粒径较大的特点，设计并制作了具有宽流道的扬矿泵流道模型，安装于管道输送试验系统。利用高速摄像机对扬矿泵导叶内粗颗粒运动特性进行了记录，并对其运动轨迹、碰撞情况以及颗粒速度等信息进行了分析。结果表明：颗粒在通过导叶区域时，运动轨迹与水流流向基本一致；颗粒与导叶发生碰撞位置主要集中于导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处；颗粒粒径越小，跟随性越好，碰撞次数越少。试验结果可为扬矿电泵设计提供参考。

深海采矿；扬矿泵；导叶；颗粒轨迹；磨损；堵塞

Abstract:Deep-sea minerals must be lifted through lifting pump in deep-sea mining system.The lifting pump is prone to be blocked owing to the big size of minerals while working,especially in vane.It is important to study the motion characteristics of mineral particles to ensure the security of the lifting system.Taking into account the size of deep-sea minerals,the lifting pump model with wide passage is established and is installed in a pipeline transport system.The motion characteristics of particles in the vane of the lifting pump are shot and analysed by high-speed cameras.The results show that the trajectory of particles in vane is consistent with flow; the collision location of particles concentrates mainly at the inlet of the back of the vane blade,the middle of pressure face of the vane blade and the outlet of the back of the vane blade; the particles have better following performance and less collision frequency with a smaller size.The results provide a reference for the design of the lifting pump.

Keywords:deep-sea mining; lifting pump; vane; particles trajectory; abrasion; blockage

深海蕴藏着丰富的矿产资源，如何开采这些资源一直是令人困扰的技术难题[1-3]。目前，利用管道将深海底的矿石输送到海面已有成功试采的方案[4,5]。在这一方案中，扬矿泵是关键设备，不仅要提供输送矿石的动力，还必须保证矿石能够通过扬矿泵。如发生颗粒堵泵，整个提升系统将无法工作，且维修困难，耗时较长。目前，对于这种独特需求的扬矿泵的研究较少，国外仅有德国和日本开展相关工作，但由于技术保密原因，成果很少报道。

针对细颗粒在泵体中的运动规律，有很多成果可以借鉴。如从理论分析角度，通过解析颗粒的运动方程，了解颗粒在泵中的运动规律[6-8]；以CFD为工具对颗粒在泵中的运动规律进行更为精细地模拟研究[12-14]；通过高速摄像对颗粒过泵轨迹进行拍摄，了解不同粒径和密度颗粒过泵特性[9-11]；以上研究主要针对颗粒在叶轮中或蜗室中的运动规律，且颗粒粒径较小。但是，深海采矿中采用的扬矿泵需要输送的颗粒粒径较大(5～50 mm)，其泵体一般采用半轴流式，流道较宽，采用前置叶轮、后置导叶设计方案[15]，对于粗颗粒在泵型中运动特性研究较少。

针对输送粗颗粒特点，采用具有宽流道的半轴流泵类型，建立输送颗粒的半轴流泵物理模型，通过试验研究粗颗粒在这种泵体流道中的运动规律。由于扬矿泵在运行过程中，叶轮处于高速旋转状态，颗粒发生堵塞的几率较小，因此，重点分析颗粒通过导叶时的运动特性，以期为泵体流道设计提供依据。

1 试验装置及方法

1.1试验装置

图1 试验模型泵实物Fig.1 Experimental pump model

为研究扬矿泵内部流动特性及颗粒通过特性，同时便于建立物理模型，将扬矿泵参数进行缩小，采用ABS材料按照叶轮和导叶的参数制作扬矿泵实体模型，包括叶轮、导叶、叶轮轮毂和导叶轮毂(图1)。为了便于观察，扬矿泵前盖板以及泵前、泵后过渡段(图2中垂直有效观察段)采用有机玻璃制作。扬矿泵主要几何参数：叶轮入口直径D0=73 mm，出口直径D2=98 mm，叶轮出口宽度b2=21 mm，叶片数z1=3，叶轮中间流线进口安放角25°，出口安放角20°；导叶入口直径D4=106 mm，出口直径D6=73 mm，叶片数z2=8，最小流道宽度14 mm，导叶进口安放角30°。本文仅讨论导叶区通过性能，故不讨论叶轮转速等参数。

试验系统主要参数：系统为开式管路(图2)，长7.5 m，高2.7 m。系统管道直径φ=50 mm，水箱用于存放水和稳定系统水压；标定箱用于标定实验过程中管道流量；叶轮式给料机用于颗粒的均匀给料。试验过程中，模型泵叶轮为静止状态，由渣浆泵为整个系统提供动力，试验介质采用清水。

试验量测设备：模型泵进出口的压差采用电子压差计测量；流量采用人工标定；使用高速摄像机对不同流量工况下颗粒通过模型泵的轨迹进行拍摄，拍摄频率为2 000～3 000帧/s。

图2 试验系统示意Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.2试验方法

实验前，从水箱向系统注入清水，通过变频器控制渣浆泵转速，使管道水流速度在0～4 m/s之间变化。在试验系统运行稳定后，从水箱投料口添加固体颗粒，经过给料机实现均匀给料，保证系统中颗粒在系统中均匀分布。待系统稳定后，采用高速摄像机拍摄不同流量工况下不同粒径颗粒在模型泵中运动轨迹。试验采用砂粒，密度ρ=2 300 kg/m3，粒径大小分别为2.5、3.5和4.5 mm。拍摄完成后利用计算机绘出每个颗粒在导叶中的运动轨迹，并统计每个颗粒的运动参数。通过统计，得到一定条件下颗粒运动参数的平均值。

2 结果与讨论

2.1颗粒过导叶轨迹特性

扬矿泵工作过程中，叶轮处于高速旋转状态，颗粒在叶轮区域不会发生堵泵；导叶为静止状态，颗粒容易在导叶区域发生聚集进而堵塞流道影响泵的正常运行。故实验主要研究颗粒在导叶区域的运动轨迹。通过高速摄像机拍摄不同粒径颗粒在不同流量工况下通过导叶，并根据拍摄出的图片绘制典型颗粒过导叶轨迹。根据不同流量工况及模型泵入口断面面积，得出模型泵入口处不同清水流速下不同粒径颗粒过导叶轨迹。图3～图5为一个导叶流道中颗粒通过轨迹，黑色虚线和实线分别代表导叶内、外边界，其中右边黑色实线代表导叶压力面，左边黑色实线代表导叶背面，颗粒在边界范围之内都可能发生碰撞；中间不同标志的实线代表不同标号的颗粒轨迹。

图3 不同流速条件下2.5 mm颗粒过导叶轨迹Fig.3 The trajectory of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=2.5 mm)

图4 不同流速条件下3.5 mm颗粒过导叶轨迹Fig.4 The trajectory of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=3.5 mm)

图5 不同流速条件下4.5 mm颗粒通过导叶时的轨迹Fig.5 The trajectory of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=4.5 mm)

颗粒进入导叶的初始位置、方向、速度大小等差异，对颗粒在导叶中的运动状态和轨迹都会产生影响。但是颗粒运动的轨迹和运动状态在宏观上都有明显的规律性。

1)颗粒过导叶的一般特性：水流沿导叶曲面方向以一定角度进入导叶，经过导叶调整之后，水流出口角逐步变为90°。颗粒在导叶内主要受水流绕流阻力和重力影响，运动轨迹与总体趋势水流基本一致。不同工况下，颗粒经过叶轮后，存在较大的轴向速度，沿导叶进口角进入导叶，由于颗粒惯性大于水流，颗粒与导叶压力面中部发生碰撞，经过导叶调整之后，颗粒速度基本变为轴向。

2)不同粒径对颗粒过泵特性的影响：颗粒越小，颗粒惯性越小，与水流的跟随性越好，颗粒运动轨迹与水流流线越接近，与导叶压力面中部碰撞之后，受水流影响，颗粒运动速度很快与水流速度平行；颗粒粒径越大，颗粒惯性越大，颗粒运动速度与水流速度平行所需时间相对更长，颗粒在上升的过程中也更易与导叶发生碰撞。

3)不同入射速度对颗粒过泵特性的影响：假定颗粒进入导叶前，速度与水流速度一致。入射速度越大，颗粒动能越大，水流改变颗粒速度方向所需时间越长，颗粒与导叶碰撞的位置越靠近导叶进口处；入射速度越小，水流改变颗粒速度方向相对容易，颗粒与导叶碰撞位置越靠近导叶出口。大速度时，颗粒与导叶碰撞后反弹速度较大，反射角度较大，迅速离开导叶压力面表面，运动趋向导叶背面，且容易与导叶背面发生二次碰撞，碰撞位置靠近导叶出口；小速度时，颗粒与导叶碰撞后反弹速度较小，颗粒仍有贴着导叶压力面表面继续运动的趋势。

4)不同入射角度对颗粒过泵特性的影响：颗粒入射角小于等于导叶进口角时，颗粒不与导叶进口处发生碰撞，直接进入导叶，运动轨迹相对更平滑；颗粒入射角大于导叶进口角时，颗粒在进口处与导叶背面进口处发生碰撞，尤其在入口速度较小时，碰撞颗粒速度较小，受水流紊动影响，颗粒在导叶压力面进口处发生二次碰撞，有时颗粒出现旋转现象。此时更容易出现颗粒的聚集，导致颗粒的堵泵。

2.2颗粒过导叶时间特性

在不同粒径的颗粒由导叶入口到出口所需时间的统计采用图中，横坐标代表颗粒通过导叶所需时间，纵坐标代表相应过导叶时间颗粒数量百分比。水流速度和颗粒粒径均对颗粒过泵时间有影响。

1)水流流速对颗粒过泵时间的影响：水流速度越大，则颗粒速度越大，过泵时间越短。一方面由于速度越大，颗粒流过相同距离所需时间越短，另一方面，速度越大，颗粒轨迹相对稳定，不易受水流紊动影响，实际运动轨迹长度较短；颗粒速度越小时，受水流紊动影响程度越大，实际轨迹长度相对较大，过泵时间有所增加。通过计算标准差可知，随着颗粒速度减小，颗粒通过导叶时间离散度相对增大，主要由于颗粒速度越小，颗粒受水流紊动影响越大，不确定性越大。

2)颗粒粒径对颗粒过泵时间的影响：相同流速下，粒径越小，颗粒过导叶时间越小。主要是由于颗粒粒径越大，所受重力越大，水流扰流阻力托举颗粒越困难，相应颗粒过泵时间越长。同时颗粒粒径越大，颗粒通过导叶速度越小，更易受紊动，颗粒过导叶时间离散度越大。

图6 不同流速条件下2.5 mm颗粒通过导叶的时间Fig.6 The period of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=2.5 mm)

图7 不同流速条件下3.5 mm颗粒通过导叶的时间Fig.7 The period of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=3.5 mm)

图8 不同流速条件下4.5 mm颗粒通过导叶的时间Fig.8 The period of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=4.5 mm)

2.3颗粒与导叶碰撞次数和碰撞位置特性

每种粒径颗粒随机选取120个，对颗粒通过导叶时与导叶边壁发生碰撞的次数进行统计(图9)。由于颗粒在导叶流道内运动受影响因素很多，碰撞次数分布没有明显的规律，碰撞次数频数最大为3，主要在导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处。碰撞次数越多，可能会使导叶磨损越严重。

图9 不同粒径颗粒碰撞次数统计Fig.9 Statistics of particle collisions with different particle sizes

颗粒与导叶背面入口碰撞主要受颗粒近导叶流道的入射角度影响。颗粒入射角度小于等于导叶进口角时，颗粒不与导叶发生碰撞，直接进入导叶流道；颗粒入射角度大于导叶进口角时，颗粒与导叶背面在入口处发生碰撞。碰撞之后颗粒速度减小，颗粒在导叶入口处容易发生聚集导致堵泵。

颗粒与导叶压力面中部碰撞主要受导叶曲面形状、颗粒入射角度、颗粒入射速度影响。导叶曲面形状过渡越光滑，颗粒越不易与导叶压力面中部发生碰撞，导叶曲面形状过渡越急剧，颗粒易与导叶压力面中部发生碰撞。颗粒入射角度越小，入射速度越大，颗粒惯性越大，水流改变颗粒速度越困难，颗粒易与导叶压力面中部发生碰撞；相反颗粒入射角度大，入射速度小，颗粒不易与导叶发生碰撞。

颗粒与导叶背面出口碰撞主要受颗粒粒径、颗粒碰撞速度影响。颗粒速度越大，颗粒易与导叶压力面中部发生碰撞，碰撞后速度更大，颗粒区域导叶背面运动，可能与导叶背面在出口处发生碰撞；相反当颗粒速度较小时，颗粒易于贴着导叶压力面向上运动。

3 结 语

针对扬矿泵输送颗粒时容易在导叶区域发生堵塞的情况，利用扬矿泵流道模型开展了实验研究，采用高速摄像技术拍摄分析颗粒过导叶区域的运动特性，主要研究结论如下：

1)颗粒过导叶的运动轨迹与水流趋势基本一致。颗粒粒径越小，颗粒轨迹与水流越接近，过泵通畅性越好；颗粒过泵速度越大，颗粒越易与导叶发生碰撞，对导叶的磨损越严重。

2)颗粒粒径越小，水流速度越大，颗粒过导叶时间越短，不同颗粒过导叶时间离散度越小。反映小粒径颗粒相对于大粒径颗粒过泵通畅性更好，扬矿泵运行时较稳定，发生堵泵概率更小。

3)颗粒通过导叶区域时，与导叶发生碰撞次数大多在2～3次，主要集中于导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处。碰撞几率越大，导叶磨损越严重。

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Experimental studies on passing characteristics of coarse particles in lifting pump of deep-sea mining system

CAI Chao,QIU Hao,CAO Bin,XIA Jianxin

(College of Life and Environment Science,Minzu University of China,Beijing 100081,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.009

1005-9865(2016)02-0064-07

2015-05-05

国家自然科学基金资助项目(51179213；51339008；51434002)

蔡 超(1990-)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事清洁高效输送技术研究。

夏建新。E-mai:jxxia@vip.sina.com