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陶瓷离心式渣浆泵的设计及磨损研究

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本文的研究工作是在国家自然科学基金重点项目―水力机械空化特性及对策‖（51239005）的资助下开展的。 陶瓷泵由于其耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优点，被广泛应用于化工、冶炼、矿山、环保等行业中，能替代大量的金属合金泵及其他非金属材料泵，对节省金属资源，延长过流部件使用寿命，提高企业效率等都有重大的意义。本文在总结国内外离心式渣浆泵固液两相流设计方法的基础上，给出了一套较系统且易于操作的陶瓷离心式渣浆泵设计方法，随后采用数值计算方法研究了叶片厚度、蜗壳形式、环形蜗壳过流断面面积对泵内非定常流动的影响，并通过数值计算与磨损实验相结合的方式研究了叶片厚度对叶轮磨损的影响。本文的主要研究工作和取得的创造性成果如下： （1） 介绍了陶瓷泵的发展历史及国内外研究现状，较全面地介绍了国内外渣浆泵理论与设计方法研究概况，分析了各设计方法的优缺点；介绍了国内外渣浆泵试验研究概况，系统地总结了泵内固相颗粒的运动规律及扬程降公式适用情况；介绍了国内外渣浆泵内固液两相流动数值计算研究概况，归纳了几种固液两相流模型的优缺点；介绍了国内外渣浆泵磨损机理研究概况，总结了泵内过流部件的磨损情况。 （2） 结合固液两相流设计法及传统经验参数设计法的优点，提出了一套较完整、较系统且易于操作的陶瓷离心式渣浆泵设计方法，并详细阐述了各参数的选取对泵性能及过流部件磨损的影响。提出了大厚度叶片进口宽度、叶片进出口安放角及包角的选择准则。 （3） 采用非定常数值计算方法研究了叶片厚度对陶瓷环形离心式渣浆泵内非定常流动的影响，并试制了两个叶片厚度不同的叶轮进行外特性实验，发现数值计算结果与实验结果吻合度较高。首次提出了时均相对液流角这一变量，在后处理过程中采用该变量能够方便直观地观察到叶轮流道内的脱流及二次流动。结果表明：当叶片厚度增加时，有利于减少叶轮流道的扩散；叶轮进口处压力脉动增加，但叶片压力面出口处压力脉动减小；作用于叶轮轴向力及径向力的均值及脉动幅度降低，泵运行稳定性上升；泵大流量区扬程下降幅度增加，最高效率点往小流量方向偏移。 （4） 采用非定常数值计算方法研究了环形蜗壳过流断面面积对陶瓷环形离心式渣浆泵内非定常流动的影响，并试制了两个过流面积不同的环形蜗壳进行泵外特性实验以验证数值计算结果的准确性。结果表明：随着蜗壳过流断面面积增加，在设计工况点泵性能略有下降，但在大流量工况时泵性能上升，且高效区变宽；蜗壳内的压力脉动强度降低，叶轮所受的径向力降低且其周向分布更均匀，泵体振动减小，运行稳定性增加。 （5） 设计了螺旋形蜗壳、环形蜗壳、准环形蜗壳及两种准螺旋形蜗壳共五种方案，首次采用非定常数值计算方法分析了蜗壳形式对陶瓷离心泵渣浆泵内非定常流动的影响。结果表明：五种蜗壳水力性能从高到低依次为螺旋形蜗壳、两种准螺旋形蜗壳、准环形蜗壳、环形蜗壳；准环形蜗壳在额定工况及大流量工况具有较好的水力性能，而在小流量工况其性能要比环形蜗壳差。环形蜗壳在各工况下整体压力脉动强度最小，螺旋形蜗壳压力脉动强度最大。 （6） 采用 Particle 欧拉-欧拉固液两相流模型，首次研究了叶片厚度对陶瓷离心式渣浆泵叶轮磨损的影响，根据固相颗粒体积分数分布及固相颗粒相对运动流线图预测了叶轮磨损较严重的位置。随后试制了两个叶片厚度不同的叶轮，采用油漆法进行了磨损实验，并与数值计算结果对比，发现两者完全吻合。结果表明：随着叶片厚度增加，叶片吸力面磨损变严重，但压力面的磨损减轻，尤其是压力面靠近出口处；叶轮盖板表面的磨损面积增加，且磨损向吸力面方向扩散；叶片端面上靠近叶轮进口处磨损增加，而叶片端面靠近叶轮出口处磨损减轻。环形蜗壳中未发现局部磨损严重区域，仅在第Ⅷ断面及隔舌附近有少量颗粒冲刷磨痕，相比于工程塑料，陶瓷材料在耐磨性方面有较大的优越性。

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