前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的矿用排水系统离心泵优化设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：离心泵依靠叶轮高速旋转时形成的离心力实现对液体的抽取，不同结构的离心泵在工作性能上具有较大的差别，基于此，利用CFD流场数值分析原理对离心泵在不同叶片数量及叶片结构下的工作效率和工作扬程进行了分析，结果表明：不同叶片结构和叶片数量对离心泵的性能影响极大，当采用4组长、短叶片配合结构，短叶片向长叶片的安装角为5°时具有最优的工作性能。
关键词：CFD;离心泵;叶片结构;优化设计
引言
离心泵是井下排水系统的核心，为了提升井下排水作业时的有效扬程，通常采用增加叶轮叶片数量的方式，但叶轮叶片数量的增加会造成离心泵工作时的耗能进一步加大，因此如何优化离心泵叶轮叶片数量和结构，提升离心泵的有效工作扬程和效率是需要重点解决的难题。
1离心泵水力设计参数
本文以某型离心泵为研究对象，该离心泵入口位置的泵口直径为75mm，离心泵在出口位置的泵口直径为215mm，其额定转速为3450r/min，额定杨程为85m，额定流量为17m3/h，最大功率为12.2kW。为提高离心泵的扬程，需要对离心泵的叶轮的出口截面积和叶轮上叶片的安装角进行调整，但离心泵出口截面积的增加会导致离心泵整体结构和成本的上升，还会导致离心泵在工作时的水力损失增大[1]，因此通常在泵的出口截面积一定情况下对叶轮叶片结构和叶片安装角度进行调节，本文设计了两种研究方案，离心泵的设计参数方案如表1所示，表中D表示离心泵出口位置的泵口直径。对不同结构参数下的离心泵性能计算采用Navier-stokes数学方程[2]和k-ε方程[3]进行分析，在进行边界条件设置时可根据离心泵在进口处和出口处的压力条件确定。
2叶片数对离心泵工作流场的影响分析
为验证在不同叶片数量下离心泵工作流场的变化情况，本文分别对所设定的两种情况下的离心泵工作情况进行CFD数值模拟分析。湍动能是湍流速度涨落方差与流体质量乘积的1/2，其大小能够直接反应离心泵叶轮工作时的水力的损失量。由仿真分析结果可知，在A方案下，离心泵工作时的液体将在离心泵出口位置形成明显的旋涡区，在方案B下，离心泵将在进口和出口位置均未形成显著的旋涡区，未造成流体动能的损失，离心泵内并无显著的流体旋涡和回流，因此能量耗散量较小。而方案A产生较大流量损耗的原因在于叶片数量和叶片安装角对流体的扰动过大，导致在流动过程中形成了明显的湍流脉动冲击，造成流体在流动过程中的稳定性降低。
3叶片数及安装角对离心泵工作性能的影响
为验证叶片数量及安装角对离心泵工作性能的影响，本文按照表1所示的结构参数分别对其进行分析，结果如下页图2、图3、图4所示。由图2可知，在不同的离心泵结构下，方案A各泵的轴功率较大，方案B轴功率小，在1.5倍的额定流量的情况下，方案A离心泵的轴功率约为16.2kW，且方案A离心泵在变工况的范围内轴功率迅速升高，即离心泵的叶片数量越多离心泵的轴功率越大。由图3可知，在不同的离心泵结构下，方案A离心泵的扬程大于方案B，因此离心泵的叶片数量对于其工作时的扬程也具有较大的影响，方案B情况下扬程降低，分析为其分流叶片的位置角度不规则所导致的流体在流动过程中的水力损失的增大。由图4可知，不同技术参数下的离心泵的工作效率为方案A大于方案B，工作时的最高效率可达66%，结合不同工况下的湍动能和静压分布，在B情况下离心泵内部均会产生较大的流体旋涡，因此流体在流动过程中的效率会显著降低。综合分析可知：从功率上分析，其大小分别为A、B；从扬程上分析，其大小分别为A、B；从效率上分析，其大小分别为A、B。由此可知技术方案A情况下离心泵具有最优的工作性能。
4结论
1）叶轮的叶片数量和安装角度对离心泵工作性能影响显著，合理选择叶轮叶片数量和安装角位置能够改善叶轮的湍动能和静压；2）当离心泵的长叶片数量和短叶片的数量均为4个，叶片安装角度为5°时离心泵的扬程、效率及轴功率能够达到最优的平衡点。
参考文献
[1]袁寿其，何有世，袁建平，等.带分流叶片的离心泵叶轮内部流场的PIV测量与数值模拟[J].机械工程学报，2006，42（5）：60-63.
[2]李文广，邓德力，苏发章，等.输送水时叶片数对离心油泵性能的影响[J].水泵技术，2000（3）：3-6.
[3]黎义斌，赵伟国，王秀勇，等.离心泵变工况流场分析及数值模拟[J].兰州理工大学学报，2007，33（6）：43-46.
[4]耿少娟，聂超群，黄伟光，等.不同叶轮形式下离心泵整机非定常流场的数值研究[J].机械工程学报，2006，42（5）：27-31.
作者:赵辉 单位:西山煤电股份有限公司镇城底矿机电科
