偏置短叶片对改善重介质旋流器合介入料泵性能的影响

吕秀丽

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

偏置短叶片对改善重介质旋流器合介入料泵性能的影响

吕秀丽1,2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

为了优化设计重介质旋流器合介入料泵的结构，提升设备性能，结合重介质旋流器的阻力特性，从数学机理和物理机理两方面分析偏置短叶片合介入料泵的内部流体流动机理，并利用计算流体力学技术揭示其内部流场分布规律。研究结果表明：偏置短叶片能够改善泵内流体的运动状态，减小压力脉动，降低冲击损失，有效抑制尾流区的形成和发展，此时泵的扬程和水力效率分别提高3.46个百分点和2.66个百分点，这说明偏置短叶片能够改善重介质旋流器合介入料泵的性能。

重介质旋流器；合介入料泵；偏置短叶片；阻力特性；流动机理

重介质选煤是目前应用最广泛，效率最高的选煤方法。重介质旋流器是重介选煤厂的核心设备，其运行工况好坏直接影响整个系统的生产效率。该旋流器的分选效果除受设备结构、原煤性质等因素影响外，很大程度上取决于入料的压力和数量，而这些因素与重介质旋流器的合介入料泵(渣浆泵)性能密切相关[1-2]。作为选煤厂的重要辅助设备，渣浆泵性能的优劣直接影响生产效率和企业经济效益，因此在保证重介质旋流器入料量的前提下，最大限度的提高入料压力，保证设备的高效与精确分选，成为提高渣浆泵性能的目标之一。

结合重介质旋流器的阻力特性，分析渣浆泵内部流体的流动机理，并运用计算流体力学技术，进一步研究偏置短叶片对其影响的规律，为优化设计渣浆泵的结构，提升其性能提供一定的理论借鉴。

1 渣浆泵工作原理与流体流动机理

渣浆泵属于离心式水泵，其工作原理为：泵的外壳容器静止不动，外壳内的叶轮通过电动机带动高速旋转，叶轮转动产生的离心力作用于流体；充斥于叶轮腔内流体被从叶轮中心甩向四周，并被抛到泵壳内，从而使流体获得动能和压能；由于叶轮外围的泵壳断面不断增大，流体的动能部分转化为压能，故泵出口处的流体具有较大的压力，因而可以通过排水管道将其送到一定的高度和距离[3-4]。

在流体被从叶轮中心甩向四周的过程中，叶轮进口处形成低压带(具有一定真空度)，液池中的流体在大气压力作用下，通过滤网经吸入管进入叶轮内部，以补充从叶轮中流出的流体。在设备工作过程中，叶轮持续旋转，流体不断获得离心力并被吸入和压出，故泵可以源源不断的向外输送流体。

1.1 重介质旋流器的阻力特性

在重介质选煤系统运行时，重介质旋流器的阻力曲线与生产系统管路的阻力曲线叠加，共同组成系统的阻力特性曲线，该曲线与渣浆泵的性能曲线的交点就是生产系统的实际运行工况点(图1)。

1—泵的扬程-流量特性曲线；2—系统阻力曲线

由图1可知：在保证重介质旋流器入料量不变的前提下，为使其获得较高的入料压力，需要改善泵的性能，主要是提高其扬程和水力效率。

1.2 渣浆泵内部流体的流动机理

1.2.1 数学机理

假设泵的进口无旋，根据其扬程基本方程(式(1))和叶轮出口速度三角形(图2)，

(1)

图2 叶轮出口速度三角形

可以得到：

v2u∞=u2-v2m∞ctgβ2g，

(2)

(3)

式中：v2u∞为液体在叶片出口处绝对速度的圆周分速度，m/s；u2为叶轮出口圆周速度，m/s；v2m∞为液体在叶片出口处绝对速度的轴面分速度，m/s；β2g为叶片出口安放角，(°)；QV为流量，m3/s；D2为叶轮外径，m；b2为叶片出口宽度，m。

将式(2)、式(3)代入式(1)得到无穷多叶片泵的扬程与叶轮外径和出口安放角之间的关系，

(4)

根据斯托道拉修正公式，可得到有限叶片泵的扬程与叶轮外径、出口安放角和叶片数之间的关系，

(5)

式中：Z为叶片数量。

式(5)说明：泵的扬程与叶轮外径的二次方成正比，且随着叶片出口安放角的增大而增加。叶轮的圆盘摩擦损失功率与外径的五次方成正比，与转速的三次方成正比，单纯通过增大叶轮外径的方法来提高扬程，将使渣浆泵的水力效率急剧降低。

为了提高泵的性能，在叶轮外径不变的条件下，探索通过增加叶片出口安放角和叶片数量来提高其扬程和水力效率。但出口安放角过大时，将使流道扩散严重，扩散损失增大；叶片数量增多将使叶轮进口堵塞严重。鉴于无压三产品重介质旋流器合介泵的入料为重介质悬浮液，不会因入料粒度而堵塞，故采用偏置短叶片技术解决上述问题。

1.2.2 物理机理

所谓偏置短叶片是将短叶片向长叶片非工作面偏移布置，以消除长短叶片对称布置，引起短叶片的相邻流道内流量、分布流速不均及水力损失增大的问题[5-7]。渣浆泵内流体的流动区域由尾流区和射流区组成，尾流-射流模型如图3所示。叶轮水力损失主要集中在尾流区，较大的叶片出口安放角将使叶轮流道扩散严重，叶片轴向旋涡增强，靠近叶片非工作面区域的脱流区增大，设备水力性能下降[8]。

图3 离心叶轮内的真实速度分布

理论上通过偏置短叶片(图4)可以有效改善其工况，在一定程度上提高泵的扬程和水力效率。主要原因为：①叶片数量增多，有限叶片数量影响减少。②对于流道扩散的叶轮，叶片工作面边界层内的低能流体经叶轮盖板边界层进入叶片非工作面边界层，聚集在非工作面并形成尾流，偏置短叶片可以有效阻止这种流动的产生和发展；同时由于流道缩短，流体扩散减小，能够有效防止非工作面上流体的分离和脱流，抑制尾流区的形成和发展。③靠近长叶片的非工作面存在脱流区，偏置短叶片可以有效压缩该区域，保证流速均匀，并能在一定程度上冲刷尾流。④偏置短叶片可以增大有限叶片数修正系数，提高泵的扬程，减小叶轮内流体因惯性作用引起的轴向旋涡，同时避免叶轮进口被堵塞，降低冲击损失，增强泵的抗汽蚀性能。⑤偏置短叶片能够有效改善叶轮内部的流速分布，减小叶轮内部的水力损失，提高泵的性能。

2 偏置短叶片渣浆泵内部流场数值模拟

为了进一步验证通过偏置短叶片改善泵性能的可行性，采用计算流体力学技术分别对偏置短叶片前后的渣浆泵内部流场进行模拟研究。渣浆泵的主要技术参数为：流量650 m3/h、扬程40.10 m、转速730 r/min、效率77.50%、比转速71，偏置短叶片的设计参数如图5所示，建立的流体三维模型如图6所示。

图4 偏置短叶片后离心叶轮内的速度分布

图5 渣浆泵偏置短叶片设计参数

图6 偏置短叶片渣浆泵的整机模型Fig.6 The integral model of the slurry pump with offset-arranged short blades

利用计算流体力学软件对其进行数值模拟与分析，采用RNG的k-ε双方程粘性模型、速度入口边界条件及速度-压力耦合求解器进行湍流计算，旋转叶轮与静止泵体的耦合模型选用多重参考坐标系的MRF模型[9-10]。偏置短叶片前后整机的压力场分布如图7所示。由图7可知：偏置短叶片渣浆泵内部的流场压力分布符合离心泵的工作原理，即压力沿着出流方向呈逐渐增大的趋势，其中叶轮入口附近压力最小，蜗壳出口附近压力最大。

图7 整机的压力场分布

偏置短叶片渣浆泵具有以下技术优势：①进口负压区域有一定程度的减弱，叶轮进口冲击损失降低，泵的抗汽蚀性能有所提高；②叶轮出口区域压力变化梯度明显减小，各流道压力变化梯度一致，压力分布均匀，可以有效抑制尾流区的形成和发展；③蜗壳区域内流体压力分布更均匀，没有出现静压相对较大的局部区域，且压力变化梯度较小，有利于减小叶轮出口的压力脉动；④泵的出口具有较高压力，能够有效提高其扬程，改善流体流动状态，提高设备性能，进而使渣浆泵提供的流体具有较高水头，从而为重介质旋流器的精确分选提供充足动力。

偏置短叶片前后整机的流场速度矢量如图8所示。由图8可知：叶轮内各流道的流速变化趋势与理论分析一致，即叶轮进口处的流体速度较低，其进入叶轮后速度逐渐增大，出口附近速度最大；蜗壳内流体流动比较平稳，流速变化梯度较小，随着叶轮的旋转，蜗壳内沿着出流方向的流体流速逐渐降低，在蜗壳出口处流体的部分动能转变成压力能，这完全符合渣浆泵的流体流动机理。

图8 整机流场速度矢量图

与普通的渣浆泵相比，偏置短叶片渣浆泵具有以下特点：①叶轮和蜗壳内的速度场变化平缓，速度分布均匀，能够有效防止泵内流体流动分离，流体流动控制较好，紊流程度减弱，水力损失降低；②叶轮出口流速均匀，具有冲刷尾流的作用，能够抑制尾流区的形成和发展，尾流-射流现象明显降低；③叶轮出口速度均匀，其出口流体汇集于蜗壳时的扰动程度降低，叶轮出口到泵体进口之间的混合损失降低，泵的水力性能得到改善。

通过对偏置短叶片渣浆泵进行水力计算可知，渣浆泵的扬程和水力效率分别可提高3.46个百分点和2.66个百分点，这充分说明通过偏置短叶片技术改善重介质旋流器合介入料泵性能在技术上完全可行。

3 结论

在重介选煤厂，重介质旋流器与渣浆泵在系统中是一个整体。结合重介质旋流器的阻力特性曲线，改善渣浆泵的性能，提高其扬程和水力效率，是提高整个系统运行稳定性和分选效果的关键因素。利用计算流体力学技术与理论分析相结合的方式，对偏置短叶片渣浆泵内部流体的流动状态进行分析，可以得出以下结论：(1)偏置短叶片有利于叶轮出口和蜗壳入口的压力、速度均匀分布，进而使叶轮和蜗壳内的水力损失降低。

(2)偏置短叶片可以抑制尾流区的形成和发展，并具有冲刷尾流的作用。

(3)采用该技术能提高泵内流场的稳定性，降低水力损失，提高设备的水力性能。与普通渣浆泵相比，偏置短叶片渣浆泵的扬程和效率分别提高3.46个百分点和2.66个百分点。

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Effect on performance of qualified medium pump of heavy-medium cyclone produced by offset-arranged short impeller blades

LYU Xiu-li1,2

(1.China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China;2.Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012,China)

With an aim to optimizing the structural design of H.M. cyclone's qualified medium feed pump for improvement of cyclone performance, an analysis is made of the flow mechanism inside the medium pump operating with offset-arranged short blades, based on the resistance characteristics of cyclone and from both mathematical and physical aspects. Following that, the laws governing the flow filed distribution are revealed through computational fluid dynamics analysis. Result of study indicates that the use of the short blades arranged in an offset manner can lead to improvement of state of fluid flow inside the pump, reduction of pressure pulsation and impact loss, effective control of the formation and development of the wake zone and increases of pump head and efficiency by respectively 3.46 and 2.66 percentage points. This well demonstrates the pump can work with much improved performance when operating with short blades arranged in a offset manner.

H.M. cyclone; qualified medium pump; offset-arranged short blade; resistance characteristics; flow mechanism

1001-3571(2016)05-0001-04

TD943

A

2016-06-06

10.16447/j.cnki.cpt.2016.05.001

2015年煤炭科学研究总院科技创新基金项目：大型高效蜗壳两产品重介质旋流器的研究(2015ZYJ007)

吕秀丽(1984—)，女，河北省唐山市人，助理研究员，硕士，从事重介质选煤工艺与设备方面的研究与开发工作。

E-mail：lvxiuli3432@126.com Tel：0315-7759387

吕秀丽. 偏置短叶片对改善重介质旋流器合介入料泵性能的影响[J]. 选煤技术，2016(5)：1-4,8.