固液两相流离心泵磨损机理和叶轮的设计.doc

固液两相流离心泵磨损机理和叶轮的设计
陈红生朱祖超王乐勤(浙江大学化工机械研究所)摘要本文研究了固液两相流离心泵磨损机理，指出离心泵内叶轮出口附近的射流尾流结构是离心泵内的局部磨损的重要原因。理论分析、试验结果及工业应用表明：采用小叶片出口角β2、少叶片数Z和大出口宽度b2的叶轮能减轻泵的磨损。
关键词固液两相流，离心泵，磨损，设计。
本文于1999年2月23日收到。
目前固液两相流离心泵广泛应用于江、河、湖泊的开挖、清於，疏浚等水利工程。98年的特大洪水使全国各地都把兴修水利当作一件大事来抓，而江河湖泊的清於疏浚被大家公认为最有效的措施之一，因此固液两相流离心泵的研究开发越来越受到重视。
由于江河湖泊的水流中含有大量泥沙，在实际应用中，固液两相流离心泵的过流部件都存在严重的磨损，严重影响设备的正常运行和安全生产。本文根据对离心泵磨损的研究，认为颗粒的运动轨迹、速度及分布与泵内流场有很大关系，而这些因素极大地影响了离心泵的磨损，因此有必要深入研究固液两相流离心泵内流场对磨损的影响。
1离心泵内磨损机理
1.1离心泵磨损研究情况应用表明：叶轮是固液两相流离心泵内磨损最严重的零件，而叶轮出口处又是叶轮中磨损最严重位置之一，磨损后的出口端部极薄，呈锯齿状。叶片工作面与后盖板相交棱角处有很深的条形沟纹，这种条形沟在叶片工作面的不同部位深度和宽度不同，一般在叶轮出口附近最深，甚至有可能使叶片或后盖板洞穿。叶片非工作面上有凹凸不平的麻坑，但相对工作面磨痕较浅。叶片入口附近有带形凹坑，个别凹坑很深甚至使后盖板洞穿而导致叶轮失效。叶轮前后盖板内表面有颗粒滑痕，除靠近叶片工作面位置外，磨损较轻；外表面光滑、有均匀磨损痕迹。叶轮磨损状况如图1。
图1叶轮颗粒运动和磨损情况图2离心泵内的尾流近十几年来，国内外多名学者进行了离心泵叶轮磨损进行了研究。但他们基本上都是通过对固体颗粒在叶轮中的运动轨迹的分析和用数值分析的方法来研究叶轮的磨损。因此，形成了几种不同的结论：(1)沙利亚、苏波隆、朱金曦和赵敬庭等进行了试验或计算，认为颗粒质量越大，其运动轨迹越偏离叶片工作面[1]，该观点为较多学者认同；(2)赫比奇、赵振海则认为颗粒质量越大，其运动轨迹越靠近叶片工作面[2]，支持该观点的学者不多，但有一些试验证实；另外，日本学者板谷树认为质量对其运动轨迹的影响不大[3］，但赞同者极少。这些观点都有一些理论或试验基础，但结论却截然不同，笔者认为这与他们的试验条件以及理论简化等有较大差异有关，尤其存在缺乏对实际液流流场分析这一重大缺陷。本文在试验研究的基础上认为在低浓度情况下，离心泵内的流场对颗粒分布和轨迹具有决定性意义，即使在高浓度情况下，流场也有重大影响，但固体颗粒对流场的影响较大，可能引起较大的流场畸变。由于目前实际应用和试验大都为低浓度情况，本文对高浓度情况暂不讨论。根据实际应用情况，这个低浓度范围可达35%(重量浓度)，对单个颗粒来说更是如此。
1.2磨损机理现代的流场分析与流动测试研究表明离心叶轮流道内的流动基本上是由相对速度较小的尾流区和近似于无粘性的射流区所组成(图2)，射流结构尾流区紧贴在叶轮的前盖板和非工作面上，尾流区愈宽，射流尾流之间的剪层愈薄，两者之间的速度梯度愈大，意味着射流尾流结构愈强，叶轮内的损失也就愈大。尾流的形成与发展是边界层的发展、二次流的发展、流动分离和分层效应等因素相互影响相互促进而形成的。简而言之，就是由于叶轮流道内的液流受到叶片作功作用不均匀，靠近叶片工作面强而靠近非工作面弱，在逆向压力梯度作用下，靠近出口处非工作面的边界层容易产生分离，使液流在边界层附近产生回流和脱流，形成尾流区。
相对流线方向的旋涡是由两个因素产生：流线曲率和旋转角速度。对于具有后弯型的离心叶轮，其通道上的边界层同时受到曲率和旋转的影响，考虑后弯叶轮的实际流动情况，引入一个综合反应曲率和旋转的Richardson数Ri[4]，即：
(1)对工作面上的边界层而言，Ri<0，而对非工作面上的边界层，Ri>0，也即工作面上的边界层是不稳定的，而非工作面上的边界层是稳定的。由于受到叶轮流道内的二次流的影响，工作面不稳定边界层里的低能微团就会通过前、后盖板进入非工作面上的边界层，致使非工作面的边界层越来越厚，而工作面上的边界层则很薄，边界层里的液流速度较低，而边界层外主流的液流速度较高，这样就形成了如图2所示的尾流射流结构。
叶轮中的损失集中在尾流区，其间只有叶轮通道总流量的一小部分流体穿过。在尾流区与射流区之间，存在着具有一定速度梯度的区域。速度梯度过大，会形成射流尾流剪切层，由于哥氏力及流线曲率的存在，射流尾流不可混掺。尾流区的存在是真实流动效应的综合反映，它不仅影响叶轮的效率，而且将大大增加蜗壳内的流动损失。在径向与前向叶轮中尤其明显，而低比转速离心泵的