内装式矿用潜水泵背叶片几何参数对泄漏量的影响

Q! Q： QSCIENCE ＆ TECHNOLO(3Y INFORMATION工 业 技 术内装式矿用潜水泵背叶片几何参数对泄漏量的影响①许荣军’· 王震 顾玉中(1．南京蓝深制泵(集团)股份有限公司 ；2．江苏省潜水 电泵工程技术研究中心 江苏南京 21 1 500)摘 要 ：取内蓑式矿用潜水泵叶轮背叶片半径，数量 ，高度等6个几何参数为因素，每个因素选用3个水平，选用L18(37)正交试验方案设计18个方案。利用商用软件CFX，对N-S方程进行 离散，选用标准的模型，利用蛄构化 网格对18个设计方案的全流场进行数值模拟 ，分析内装式矿用泵后口环处的泄漏量。对泄漏量结果进行 了极差分析，得到了背叶片几何参数对泄漏量的影响的主次顺序，并得出了最优的几何参数组合 ，并与无背叶 片的情况作 了对比。计算鲒果对内装式矿用泵 背叶片的设计吴有理论参考价值。

关键词：内装式矿用潜水泵 背叶片 正交试验 结构化网格中图分类号：TH311 文献标 识码：A 文章编号：1672-3 791(2013)07(b)-01 04-02随 着煤矿 采掘业 建设规 模 El益 扩大 ，煤矿 排水泵需 求迅猛 增长 ，内装式 矿用隔爆潜水 泵依据 市场需 求 ，可以一次 性将矿内污水直排到地面。据调查 ，国内矿用隔爆潜水 电泵的平均首次 无故障运行时 间一般不超过1O00h，煤矿污水 中的运行环境十分恶劣 ，井下操作人 员水平参差不齐 ，电泵的故障频发 ，电机腔泄漏 ，机械 密封寿命短 、过流部件磨损、轴承失效、水力性能较低，泵可靠性较差。内装式矿用隔爆潜水泵一般在末级叶轮均设置背叶片，一方面可以防止煤炭颗粒 进入密封环 ，减 少颗粒对 口环的磨损 。第 二可以降低 口环 两端面的压力差，减少泄漏量【l。

占粱梁 ，张克 危对 渣浆 泵背叶 片的密封能力用 CFD进行 了分析 ，但计算时 将泵的全流场 分为 了主流区和 背叶片部分 ，不完全符 合泵 内实际的流动状态 。周志安用理论推导 ，介绍了背叶片离心密封能力及其应用 。蔡龙将CFD与理论对比分析，但是只对比分析了背叶片的流动区域?。

本文利用CFD数值模拟的方法，基于正交试验 方法 ，以ns=5 8内装式矿用潜水泵为模型 ，对背叶片几何参数进行设计 ，采用结构化 网格对泵 的全流场进行 了数值模拟和性能预 测，得出 了背叶片对泄流量影响的主次因素，并对有无背叶片的情况进行了内流 的对比 。对 内装式矿用泵背叶片 的设计具 有参考价 值 。

1 计算模型本文选用流量Q=200 m ／h，扬程H：60 m，转速n=2950 r／min，比转速ns=58的内装式 矿用潜水泵的模型为计算模型 。

该 内装式矿用潜水泵设置了前后 13环 ，口环过流间隙为0．2 mm，长度为20 mm。本文采用Pro／e三维实体造型软件进行实体造型，将整泵的流场分为叶轮、蜗壳、进 1：3段 、前泵腔、后泵腔、前 口环、后口环、背叶片8个流体计算区域，该模型设置了两个出口，如表 2 正交计算方案因素 试验序号A B C D E F Gl 4l0 21O 6 3 1 径向 62 410 200 8 4 1 前弯 83 410 19O 12 5 1 后弯 l04 400 2lO 6 4 1 后弯 l05 400 200 8 5 1 径向 66 400 19O 12 3 l 前弯 87 390 21O 8 3 1 前弯 108 390 200 l2 4 1 后弯 69 390 l90 6 5 1 径向 810 ‘ 41O 2l0 12 5 l 前弯 611 4lO 200 6 3 1 后弯 812 4lO l90 8 4 1 径向 lOl3 400 210 8 5 l 后弯 814 400 200 12 3 1 径向 1O15 400 190 6 4 1 前弯 6l6 390 210 12 4 1 径向 8l7 390 200 6 5 1 前弯 l0l8 390 190 8 3 1 后弯 6表 1 正交设计因素水平表图1所示。本文在设计背叶片时 ，选择 了三种背叶片的型线，背叶片模型如图2所示 。

随着计算流体CFD软件的发展，非结构的四面体 网格对复杂的模型具有 良好的适应性b】，但是在模型长宽尺寸 比例 较大时 ，很难画 出质量 好的网格。本文在全 流场模拟时，口环 间隙的长宽比为 100，采用非结构的四面体很 难达到计算要求 。本文采用了结构化的六面体 网格，当叶轮 、蜗壳 、背叶片 、泵腔 、口环处 网格总数达到200万以上时，网格数 目对外特性的影 响趋干稳定 ，其 中叶轮和蜗壳 网格 数 目为69万 。选取湍流模型，假定进 口速度在轴向均匀分布 ，具体数值 由流 量与进 口面积比值给 定 。采用压力出 口边界条件 ，出口1的静压力 由设计扬程估算得到 ，出口2的静压 力设置为0Pa，即后 口环处与大气相通 。在 固壁处采用 无滑移边界 条件 ，在近壁 区采用标 准壁面 函数 ，介质选用清水。外径、内径、高度 、宽度、数 量、形线等背叶片 的几何 参数对背叶 片的封液能力均有影响【61。考虑到泵加工及装l图1 实体造型图o O o(a)径向 (b)前弯 (C)后弯图2 背叶片模型因素 水平A(91"径／mm) B(内径／mm) C(数量／个) D(高度／ram) E(间隙／ram) F(线型) G(宽度／mm)l 4lO 210 6 3 l 径向 62 400 200 8 4 l 前弯 83 390 190 l2 5 l 后弯 1O①基金项目：江苏省科技发展计划一江苏省潜水电泵工程技术研究中心项目(BM20l1143)；南京市科技发展计划项目(20ll0l014)。

作者简介：许荣军(1 971一)，男，江苏南京人，工程师，主要从事流体机械设计研究及科研项目、技术和专利管理工作。

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