劉海云

（晉中職業(yè)技術(shù)學院，山西 晉中 030600）

引言

軸流泵是一種廣泛應(yīng)用在煤礦井下排水系統(tǒng)中的水泵，其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定的特點。由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，水泵需要在惡劣工況下頻繁進行啟動，因此對水泵工作時的穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命等要求較高?，F(xiàn)有排水系統(tǒng)的軸流泵在使用中普遍存在著在進口和出口位置的二次流現(xiàn)象嚴重、水力損失大、工作效率低的缺陷，特別是為了適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境，井下排水系統(tǒng)的軸流泵的葉片厚度通常較大，使其具有較好的抗汽蝕性，但也同樣造成了整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、工作時效率損失大的缺陷，嚴重影響了井下排水系統(tǒng)的正常工作[1]。本文以流體動力學為基礎(chǔ)，對不同葉片厚度情況下對排水系統(tǒng)工作特性的影響進行研究，為優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，提升排水系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和效率奠定基礎(chǔ)。

1 葉片厚度對軸流泵工作特性影響的研究

本文分別取常用的兩種葉片厚度不同的軸流泵，按照國標規(guī)定的潛水電泵的試驗方案[2]對兩種泵工作時的特性進行研究，兩種泵的葉片的厚度分別為5.52 mm 和3.82 mm，兩種葉片的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 不同厚度的葉片結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

利用三維建模軟件建立葉片不同厚度的軸流泵的三維結(jié)構(gòu)模型，然后利用導葉法對兩種葉片泵工作時的特性進行研究，不同葉片厚度下軸流泵的工作特性變化曲線如圖2 所示。

圖2 不同葉片厚度下軸流泵的工作特性曲線

由分析結(jié)果可知，當軸流泵的流量在0.6～1.2 倍額定流量范圍內(nèi)時，薄葉片泵的工作揚程和效率均高于厚葉片泵的工作揚程；當在該流量范圍之外則相反。而在整個工作期間，薄型葉片泵的功率均全面高于厚葉片泵的工作功率。

由于軸流泵工作時的揚程主要取決于葉片工作時的升力的反作用力，因此葉片越薄，其工作時對流體的阻力越小，使流體的過流斷面積越大。因此在相同的流量工況下，薄型葉片工作時對水流的升力反作用力大于厚型葉片的，使其具有更高的工作揚程。阻力的減小，降低了軸流泵工作時的額外的功率消耗，因此使其具有更高的工作效率和功率。

而當軸流泵工作流量過小或者過大時，水流的工作沖角不斷加大，當達到某一個臨界點時，其在軸流泵的葉片表面產(chǎn)生了脫流或者二次回流現(xiàn)象，此種情況下厚型葉片泵工作時的過斷流面積小，使流體和葉片支架的撞擊頻繁，增加了水力的工作揚程，而在這個過程中造成了較大的能量損失，因此其工作效率依舊低于薄型葉片泵的工作效率。

2 葉片厚度對軸流泵內(nèi)部流場影響的分析

為了對不同厚度葉片軸流泵工作時的內(nèi)部流場特性進行研究，本文在建立的軸流泵的三維模型的基礎(chǔ)上，利用ICEM Tetra 處理工具[3]，對其進行網(wǎng)格劃分，然后以流體動力學為基礎(chǔ)，采用CFX-post 系統(tǒng)導出兩種軸流泵在不同工況下的仿真分析可視化云圖[4]，其中在0.6 倍額定流量到1.2 倍額定流量范圍內(nèi)，兩種葉片厚度情況下的壓力分布如圖3 所示。

圖3 0.6～1.2 倍額定流量工況下不同厚度葉片的壓力分布示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當在該流量工況范圍內(nèi)，在厚型葉片的進口的位置有一個顯著的低壓分布區(qū)域，因此該位置處的壓力值要顯著大于薄型葉片在相同區(qū)域的壓力值，這主要是由于厚型葉片的后部邊緣處的厚度較大，是由于工作時的沖擊角增大造成的。工作中薄型葉片上的壓力分布較為均勻，流體流動時的流態(tài)特性較好，而厚型葉片則會導致在進口位置出現(xiàn)流場紊亂區(qū)域，使流體流動時的內(nèi)部流場損失加大，穩(wěn)定性也低于薄型葉片的。

兩種水泵在大流量工況（大于1.2 倍額定工作流量）下的壓力分布特性如圖4 所示。

圖4 大流量工況下不同厚度葉片的壓力分布示意圖

由圖4 分析可知，在大流量的工況下，薄型葉片和厚型葉片上的壓力分布均呈現(xiàn)降低的趨勢，特別是在進口位置的低壓區(qū)面積分布顯著增加，由此導致在工作時的工作揚程和效率雙雙下降。對比可知，此種情況下，厚型葉片上的壓力變化更為顯著，波動幅度也更大，因此使流體流動時的性能出現(xiàn)更大的波動，其葉片的出口和下側(cè)的等值線沿著葉片的徑向分布，低壓區(qū)面積大，壓力下降的幅度也大。薄型葉片的等值線則主要沿著葉片的圓周方向分布，葉片在進口位置出現(xiàn)低壓區(qū)，但沿工作面上壓力的變化幅度相對較小，因此工作時的穩(wěn)定性要高于厚型葉片工作時軸流泵的穩(wěn)定性。

兩種水泵在小流量工況（小于0.6 倍額定工作流量）下的壓力分布特性如圖5 所示。

圖5 小流量工況下不同厚度葉片的壓力分布示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當軸流泵在小流量的工況下工作時，兩組葉片上的壓力等值線分布均較為密集，說明其壓力梯度的變化范圍較大。對于厚型葉片來說，其表面的壓力等值線分布要遠大于薄型葉片表面的等值線分布，特別是在葉片的出口位置，等值線的方向改變較大，壓力分布變化較大。這主要是由于在小流量工況下厚型葉片對流體的翼形沖擊角加大，在背面位置產(chǎn)生了流體脫流現(xiàn)象，而在葉片的出口處產(chǎn)生了二次回流，導致了厚型葉片泵在工作時出現(xiàn)較為強烈的振動。

3 結(jié)論

本文通過對軸流泵工作特性的研究，提出利用流體動力學原理針對不同葉片厚度對軸流泵工作特性和流場特性進行分析，通過研究表明：

1）當軸流泵的流量在0.6 倍額定流量到1.2 倍額定流量范圍內(nèi)，薄葉片泵的工作揚程和效率均高于厚葉片泵的工作揚程，當在該流量范圍之外則相反。

2）在正常流量工況范圍內(nèi)，薄型葉片上的壓力分布較為均勻，流體流動時的流態(tài)特性較好，而厚型葉片則會導致在進口位置出現(xiàn)流場紊亂區(qū)域，使流體流動時的內(nèi)部流場損失加大。

3）在大流量工況及小流量工況下，厚型葉片表面的壓力分布變化均大于薄型葉片泵，因此導致工作時厚型葉片泵的工作穩(wěn)定性低于薄型葉片泵的工作穩(wěn)定性。