劉海云

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jiǎn)單、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。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(jìn)行啟動(dòng)，因此對(duì)水泵工作時(shí)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(jìn)口和出口位置的二次流現(xiàn)象嚴(yán)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(shí)效率損失大的缺陷，嚴(yán)重影響了井下排水系統(tǒng)的正常工作[1]。本文以流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)不同葉片厚度情況下對(duì)排水系統(tǒng)工作特性的影響進(jìn)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(duì)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(guó)標(biāo)規(guī)定的潛水電泵的試驗(yàn)方案[2]對(duì)兩種泵工作時(shí)的特性進(jìn)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(dǎo)葉法對(duì)兩種葉片泵工作時(shí)的特性進(jìn)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(dāng)軸流泵的流量在0.6～1.2 倍額定流量范圍內(nèi)時(shí)，薄葉片泵的工作揚(yáng)程和效率均高于厚葉片泵的工作揚(yáng)程；當(dāng)在該流量范圍之外則相反。而在整個(gè)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(shí)的揚(yáng)程主要取決于葉片工作時(shí)的升力的反作用力，因此葉片越薄，其工作時(shí)對(duì)流體的阻力越小，使流體的過(guò)流斷面積越大。因此在相同的流量工況下，薄型葉片工作時(shí)對(duì)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(yáng)程。阻力的減小，降低了軸流泵工作時(shí)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(dāng)軸流泵工作流量過(guò)小或者過(guò)大時(shí)，水流的工作沖角不斷加大，當(dāng)達(dá)到某一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，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(shí)的過(guò)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(yáng)程，而在這個(gè)過(guò)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(duì)軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)影響的分析

為了對(duì)不同厚度葉片軸流泵工作時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)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(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后以流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，采用CFX-post 系統(tǒng)導(dǎo)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(dāng)在該流量工況范圍內(nèi)，在厚型葉片的進(jìn)口的位置有一個(gè)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(shí)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(dòng)時(shí)的流態(tài)特性較好，而厚型葉片則會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)口位置出現(xiàn)流場(chǎng)紊亂區(qū)域，使流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)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(shì)，特別是在進(jìn)口位置的低壓區(qū)面積分布顯著增加，由此導(dǎo)致在工作時(shí)的工作揚(yáng)程和效率雙雙下降。對(duì)比可知，此種情況下，厚型葉片上的壓力變化更為顯著，波動(dòng)幅度也更大，因此使流體流動(dòng)時(shí)的性能出現(xiàn)更大的波動(dòng)，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(jìn)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(duì)較小，因此工作時(shí)的穩(wěn)定性要高于厚型葉片工作時(shí)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(dāng)軸流泵在小流量的工況下工作時(shí)，兩組葉片上的壓力等值線分布均較為密集，說(shuō)明其壓力梯度的變化范圍較大。對(duì)于厚型葉片來(lái)說(shuō)，其表面的壓力等值線分布要遠(yuǎn)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(duì)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(dǎo)致了厚型葉片泵在工作時(shí)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的振動(dòng)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)軸流泵工作特性的研究，提出利用流體動(dòng)力學(xué)原理針對(duì)不同葉片厚度對(duì)軸流泵工作特性和流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，通過(guò)研究表明：

1）當(dāng)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(yáng)程和效率均高于厚葉片泵的工作揚(yáng)程，當(dāng)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(dòng)時(shí)的流態(tài)特性較好，而厚型葉片則會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)口位置出現(xiàn)流場(chǎng)紊亂區(qū)域，使流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)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(dǎo)致工作時(shí)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。