陶藝，白永明，吳迎春

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，江蘇 無錫 212206）

0 引言

渣漿泵主要應(yīng)用于輸送腐蝕性較強(qiáng)且含有固相顆粒的溶液，其主要適用于化工、礦山、冶金、石油等行業(yè)[1]。由于輸送介質(zhì)中含有的固相顆粒長期與過流部件發(fā)生碰撞，故渣漿泵常因零部件磨損而出現(xiàn)運(yùn)行問題。影響渣漿泵使用壽命的兩個(gè)因素主要是設(shè)計(jì)及選型，其中設(shè)計(jì)因素對其影響更大[2]。傳統(tǒng)的渣漿泵設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、畸變速度設(shè)計(jì)法以及固液速度比設(shè)計(jì)法，這些設(shè)計(jì)方法根據(jù)固相顆粒的屬性對葉輪主要幾何參數(shù)的公式進(jìn)行了一定的修正，使計(jì)算得到的幾何參數(shù)更符合渣漿泵的特點(diǎn)。但是這些設(shè)計(jì)方法并沒有給出更好的葉輪軸面流道設(shè)計(jì)方法，而軸面流道對渣漿泵葉輪的水力性能有重要的影響。孫艷梅[3]等給出了計(jì)算機(jī)編程所用的渣漿泵葉輪軸面流道數(shù)學(xué)模型。顧慶東[4-5]基于數(shù)值模擬對渣漿泵葉輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。然而，這些方法都具有較高的門檻，對設(shè)計(jì)者的理論水平及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。

本文介紹了一種渣漿泵葉輪的設(shè)計(jì)方法，首先基于固液速度比設(shè)計(jì)法，計(jì)算出渣漿泵葉輪的主要幾何參數(shù)，然后將這些參數(shù)導(dǎo)入CF_Turbo軟件計(jì)算得到渣漿泵葉輪的軸面流道形狀，隨后將其導(dǎo)入Solidworks軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模，以便之后的生產(chǎn)加工。

1 渣漿泵葉輪水力設(shè)計(jì)

1.1 水力設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

此次水力設(shè)計(jì)要求該泵的額定工作流量Q=50m3/h，轉(zhuǎn)速n為2900r/min，要求揚(yáng)程H不低于32m，效率η不低于65%。泵輸送的介質(zhì)為固相體積分?jǐn)?shù)CV為10%的固液混合物，固相顆粒的密度ρs為2300kg/m3，顆粒中值粒徑d50=1mm。渣漿泵葉輪主要幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 渣漿泵葉輪主要幾何參數(shù)

1.2 渣漿泵葉輪主要幾何參數(shù)的計(jì)算

首先計(jì)算葉輪進(jìn)口直徑，可以采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法的公式，結(jié)合泵進(jìn)口直徑取相應(yīng)的值，綜合考慮后取為80mm。

隨后采用固液速度比設(shè)計(jì)法計(jì)算葉輪出口寬度b2，根據(jù)顆粒粒徑、密度及濃度的大小，本次設(shè)計(jì)取葉輪出口處的固液速度比Kv的值為1.6進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算出葉輪出口處的固液濃度比Kc，隨后再計(jì)算葉片出口寬度，最終取值18mm。

不同于清水泵，渣漿泵由于輸送的介質(zhì)中有固相顆粒，顆粒與葉輪葉片之間的撞擊和摩擦?xí)斐扇~片的磨損。故為了提高渣漿泵葉輪的使用壽命，其葉片比普通清水泵葉輪厚得多，葉片排擠效應(yīng)比較嚴(yán)重。同時(shí)，為了彌補(bǔ)葉片加厚造成的流道過流面積的損失，一般需要取較大的葉片進(jìn)口寬度，可以根據(jù)下式計(jì)算[6]，最終取值23mm。

葉輪出口直徑需要進(jìn)行若干步的迭代計(jì)算，首先用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算初值，隨后采用固液速度比設(shè)計(jì)法進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)兩次計(jì)算結(jié)果誤差小于3%時(shí)，取標(biāo)準(zhǔn)值，最終取值為165mm，具體計(jì)算過程如下。

2 渣漿泵葉輪軸面流道繪制

當(dāng)計(jì)算出渣漿泵葉輪進(jìn)出口直徑及葉片進(jìn)出口寬度后，便可以在保證這四個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行軸面流道的繪制。本文采用CF_Turbo軟件來設(shè)計(jì)軸面流道。在基本設(shè)置界面，勾選無蓋板，并設(shè)置葉頂間隙為2mm，葉片數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為4。效率參數(shù)保持默認(rèn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)公式計(jì)算得到的葉輪進(jìn)出口直徑及葉片進(jìn)出口寬度進(jìn)行設(shè)置，輪轂直徑可以參照類似比轉(zhuǎn)速的葉輪進(jìn)行設(shè)置（圖2）。

圖2 基本設(shè)置頁面

隨后進(jìn)入軸面流道設(shè)計(jì)界面，可以分別設(shè)置前后蓋板的流線形狀類型，共有貝賽爾曲線、圓弧直線、直線以及多段線四種類型可供選擇。本次設(shè)計(jì)的渣漿泵為陶瓷泵，故為了便于生產(chǎn)加工，選擇了圓弧直線類型（圖3）。

圖3 葉輪前后蓋板軸面截線類型設(shè)置

葉輪軸面流道類型設(shè)置完成后，便可以拖動(dòng)控制點(diǎn)來繪制出滿意的流道形狀。為了便于評估軸面流道形狀的優(yōu)劣，可以參考以下3個(gè)參數(shù)：（1）前后蓋板流線曲率半徑避免出現(xiàn)較大的波峰；（2）前后蓋板流線出口處的靜力矩盡量相等；（3）葉輪流道過流面積沿流道中線的變化均勻，避免出現(xiàn)波峰或波谷。最終，得到的軸面流道形狀如圖4所示。

圖4 軸面流道形狀優(yōu)劣評估

3 渣漿泵葉輪三維實(shí)體建模

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的加工單位需要提供產(chǎn)品的三維模型文件，方便加工中心制造加工，故得到渣漿泵葉輪主要結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及軸面流道后，還需要對其進(jìn)行三維實(shí)體建模。通過CF_Turbo繪制好渣漿泵葉輪軸面流道后，便可以將其輸出為igs文件，隨后導(dǎo)入Solidworks軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模，只需要導(dǎo)出渣漿泵葉輪的軸面流道截線以及葉片進(jìn)口邊截線，不用導(dǎo)出整個(gè)葉輪實(shí)體，如圖5所示。

圖5 CF_Turbo 中的軸面流道截線導(dǎo)入Solidworks

本次設(shè)計(jì)中，渣漿泵葉輪葉片壓力面型線采用變角螺旋線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法的公式計(jì)算出葉片進(jìn)出口安放角，再根據(jù)邊角螺旋線公式確定好葉片包角，隨后計(jì)算出葉片型線上各點(diǎn)的極坐標(biāo)，便可以使用樣條曲線繪制出葉片壓力面及吸力面型線，將四張葉片拉伸。隨后利用已導(dǎo)入的葉輪后蓋板軸面截線旋轉(zhuǎn)，繪制出葉輪輪轂。再利用導(dǎo)入的葉輪前蓋板軸面截線及葉片進(jìn)口邊位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切除，最終得到渣漿泵葉輪的三維實(shí)體模型（圖6）。

圖6 渣漿泵葉輪的三維實(shí)體建模

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于CF_Turbo的渣漿泵葉輪設(shè)計(jì)方法，首先通過經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法和固液速度比設(shè)計(jì)法相結(jié)合的理論計(jì)算公式計(jì)算得到葉輪主要結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。隨后在CF_Turbo軟件中，通過輸入得到的幾何參數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，繪制出葉輪的軸面流道截線。隨后，再將軸面流道截線及葉片進(jìn)口邊截線導(dǎo)入Solidworks軟件中，進(jìn)行三維實(shí)體建模。得到的三維實(shí)體文件可以供隨后的制造加工所用。該設(shè)計(jì)方法操作簡單，效率高，且此次設(shè)計(jì)的葉輪已投入生產(chǎn)使用，效率較之前的葉輪提高了5%。本文工作旨在為渣漿泵的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。