劉倍倍

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450000）

0 引言

為了適應社會發(fā)展的需要,黃河沿線修建了許多水利工程,但是黃河含沙量較高,水流攜帶的泥沙對沿線的水利設施造成了較為嚴重的磨損,從而影響了水利設施的正常使用。雙吸離心泵流量大、揚程高、空化性能好,其在各行業(yè)中得到了廣泛的應用,在沿黃的抽水泵站中,超過70%采用雙吸離心泵[1-2]。由于泥沙的存在,使離心泵的過流部件出現了嚴重的沖蝕磨損,嚴重地影響了水泵的正常運行,降低了水泵的工作效率,并對正常的生產造成了很大的影響。由于泥沙流動的性質是固液兩相流,在離心式泵的過流區(qū)中,存在著固液耦合、顆粒間耦合、顆粒與壁面之間的撞擊和反彈[3],對離心泵的固液兩相流進行了大量的研究,并對其進行了深入的研究[4-5]。許洪元[6]等采用高速照相技術,對離心泵葉輪內的固體粒子的運動規(guī)律進行了實驗,與數值模擬的結果相比較,二者具有良好的一致性。實驗結果顯示,顆粒密度、粒徑、葉輪的旋轉速度、葉輪角度等都會顯著地影響到顆粒的運動。劉娟[7]等通過跟蹤固液流場中的粒子軌跡和固液兩相流的數值模擬,結果表明,分散相粒子的特性和葉輪的速度對固體粒子的運動軌跡和撞擊過程具有顯著的影響。錢忠東[8]等人對不同的葉尖進行了數值仿真,結果表明葉尖的磨損程度與流速和撞擊角有關。由于沿黃泵站內流體的復雜程度和含沙量的特點,對原型雙吸離心泵的磨損機理的研究尚屬空白。根據沿黃泵站的雙吸離心泵的特性,本文著重分析葉輪出口表面的砂粒磨損問題。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本文以一臺沿黃泵站的雙吸離心泵為例,計算時采用雙吸離心泵的設計流量 Qd=9000 m3/h,揚程 Hd=70 m~75 m,額定轉速 n=750 r/min,葉輪葉片數 Z=8,轉輪直徑 D=990 mm。

1.2 計算模型

將流體區(qū)域分為吸水室、葉輪和蝸殼三個不同的計算區(qū)域。目的是為了提高吸水室入口和蝸殼尾部的流態(tài)穩(wěn)定性,保證了數值模擬計算的精度。離心泵流體域模型見圖1。

圖1 離心泵流體域模型

2 數值模擬

2.1 網格分割

采用結構六面體格網,實現了高品質的網格分割,加快了運算速度。在圖2 中為網格分割,使用具有59983568 個葉輪網格、1480678 個吸水腔網格和1435860 個蝸殼網格。

圖2 各部件網格劃分

2.2 邊界條件設置

使用Ansys-fluent 軟件分析離心泵流道中的固-液兩相流,利用 SSTk-ω 模型建立湍流模型,選擇多基準坐標系統(tǒng)（MRF）,將葉輪區(qū)域作為轉動區(qū),將剩余的計算區(qū)設定為靜態(tài)區(qū)。在入口段設有流量入口,在出口段設有壓力出口,在固壁上沒有滑動,在動靜交界面使用 Interface 處理。

根據離心泵的工作狀態(tài),對其進行數值模擬,以流量1.96 m3/s、出口壓力735000 Pa、泥沙濃度2.12 kg/m3、ρ沙2639 kg/m3、顆粒直徑 d=0.198 mm、轉速n=750 r/min。水體的含沙量為泵站的測量結果,離心泵的泵殼中分離出來的沙粒通過專業(yè)的檢驗機構確定其顆粒特性。在無沙條件下通過數值仿真計算至穩(wěn)定后,利用歐拉-拉格朗日模型模擬泥沙的運動軌跡,并應用離散沖擊模型（DPM）方法進行離散碰撞模型的仿真。

2.3 網格無關度分析

由于網格數目會影響數值計算的效果,所以需要對網格進行非相關性檢驗。在同一拓撲條件下,選擇5 組網格,其網格數為3.24×106,4.24×106,5.24×106,6.24×106,7.24×106。

計算不同的網孔數目,并分析了揚程、效率和葉片的平均磨損率,從而選擇最合理的網孔數目。圖3（a）顯示,隨著網格數目的增大,揚程和效率的變化趨于平穩(wěn)；圖3（b）顯示,在網格數目少時,葉片的平均磨損率隨網格數目的增大而增大；在考慮計算資源的情況下,采用5.9×106的網格進行數值模擬。為了精確地模擬近壁面區(qū)內的紊流,對其部位的網格進行加密再計算。

圖3 網格無關性檢驗

3 結果和分析

圖4 為葉片壓面尾端的實際磨損,表明在葉片壓面尾中部有顯著的顆粒劃傷。圖5 為葉片壓面處的磨耗強度計算的結果,該磨耗強度主要集中在壓力面的尾端,與現場的磨損區(qū)相符合,說明該數值方法能夠對葉片的磨損進行預測。

圖4 葉片實際磨損圖

圖5 葉片磨損強度分布圖

圖6 為在葉片的壓力面上的固相沉積速率分布。通過現場實測磨削曲線的比較,結果表明,砂粒的高沉積速率與實際磨耗情況基本吻合,主要原因在于固體粒子的集中分布,增大了沖擊機率,從而增大了沙粒在這一區(qū)域的侵蝕磨損強度。

圖6 葉片壓力面固相沉積速率圖

圖7 為顆粒在葉片壓力表面的出口部分的相對速度分布。在葉面上粒子的相對速度分布是不均勻的,而在壓力面的末端,則是相對速度的集中和較大的區(qū)域。從離散相沖擊磨損模型中可以看出,粒子的相對速度對磨損的強度有很大的影響,隨著粒子的相對速度增大,葉片的磨損量也會增大。

圖7 葉片壓力面固相相對速度

圖8 為流動通道中單個粒子的運動軌跡,其結果表明,粒子從葉輪吸力面入口部分向壓力面末端移動,并沿葉輪表面移動,最終從葉輪區(qū)域中流出。圖9 為葉輪內的固體含量剖面分布。結果表明,在葉片壓力面端部存在著粒子移動的傾向。研究發(fā)現,流道中的流場對粒子的運動產生了一定影響,并使其在壓力面末端處的集中分布更加明顯,進而導致了對葉尾的磨蝕和破壞。

圖8 單一粒子軌跡圖

圖9 葉輪中固相體積分數分布圖

圖10 為流道渦和顆粒的軌跡的示意圖。在接近吸力面的末端,流道渦由吸力面向壓力面形成,并與流道中的液體一起流動。流道渦對粒子的運動影響很大,粒子在通道內受流道渦的影響發(fā)生自轉,從吸力面的出口處向壓力面移動。流道渦的產生會使粒子的運動軌跡發(fā)生變化,使壓力面出口處的粒子濃度增大,同時,由于出口處的流速很高,在粒子濃度和相對速度的影響下,壓力面尾處的磨損會更嚴重。

圖10 流道渦與顆粒軌跡圖

4 結論

泥沙磨損是影響雙吸離心泵工作性能與使用壽命的重要問題,從流道中的顆粒分布、顆粒軌跡、流道渦等角度,分析了影響其磨損失效的原因。總結如下：

（1）葉輪壓面尾側的磨蝕破壞與泥沙的分布特性和速度相關,隨著泥沙的相對速度和密度的增大而增大。

（2）流道渦會顯著地影響到粒子的運動,在通道內,粒子的運動軌跡會由吸力面至壓力面。

（3）流道渦會使葉輪壓力面處的顆粒濃度增加,而在流道渦作用下,葉輪出口壓力面上的微粒濃度會變大,從而使磨蝕失效更加嚴重。