1、固液兩相流離心泵磨損機理和葉輪的設計陳紅生 朱祖超 王樂勤(浙江大學化工機械研究所)摘 要 本文研究了固液兩相流離心泵磨損機理，指出離心泵內葉輪出口附近的射流 尾流結構是離心泵內的局部磨損的重要原因。理論分析、試驗結果及工業應用表明：采用小葉片出口角2、少葉片數Z和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。關鍵詞 固液兩相流，離心泵，磨損，設計。本文于1999年2月23日收到。目前固液兩相流離心泵廣泛應用于江、河、湖泊的開挖、清於，疏浚等水利工程。98年的特大洪水使全國各地都把興修水利當作一件大事來抓，而江河湖泊的清於疏浚被大家公認為最有效的措施之一，因此固液兩相流離心泵的研究開發越來越受到重視。由

2、于江河湖泊的水流中含有大量泥沙，在實際應用中，固液兩相流離心泵的過流部件都存在嚴重的磨損，嚴重影響設備的正常運行和安全生產。本文根據對離心泵磨損的研究，認為顆粒的運動軌跡、速度及分布與泵內流場有很大關系，而這些因素極大地影響了離心泵的磨損，因此有必要深入研究固液兩相流離心泵內流場對磨損的影響。1 離心泵內磨損機理1.1 離心泵磨損研究情況 應用表明：葉輪是固液兩相流離心泵內磨損最嚴重的零件，而葉輪出口處又是葉輪中磨損最嚴重位置之一，磨損后的出口端部極薄，呈鋸齒狀。葉片工作面與后蓋板相交棱角處有很深的條形溝紋，這種條形溝在葉片工作面的不同部位深度和寬度不同，一般在葉輪出口附近最深，甚至有可能使葉

3、片或后蓋板洞穿。葉片非工作面上有凹凸不平的麻坑，但相對工作面磨痕較淺。葉片入口附近有帶形凹坑，個別凹坑很深甚至使后蓋板洞穿而導致葉輪失效。葉輪前后蓋板內表面有顆粒滑痕，除靠近葉片工作面位置外，磨損較輕；外表面光滑、有均勻磨損痕跡。葉輪磨損狀況如圖1。圖1 葉輪顆粒運動和磨損情況圖2 離心泵內的尾流近十幾年來，國內外多名學者進行了離心泵葉輪磨損進行了研究。但他們基本上都是通過對固體顆粒在葉輪中的運動軌跡的分析和用數值分析的方法來研究葉輪的磨損。因此，形成了幾種不同的結論：(1)沙利亞、蘇波隆、朱金曦和趙敬庭等進行了試驗或計算，認為顆粒質量越大，其運動軌跡越偏離葉片工作面1，該觀點為較多學者認同；

4、(2)赫比奇、趙振海則認為顆粒質量越大，其運動軌跡越靠近葉片工作面2，支持該觀點的學者不多，但有一些試驗證實；另外，日本學者板谷樹認為質量對其運動軌跡的影響不大3，但贊同者極少。這些觀點都有一些理論或試驗基礎，但結論卻截然不同，筆者認為這與他們的試驗條件以及理論簡化等有較大差異有關，尤其存在缺乏對實際液流流場分析這一重大缺陷。本文在試驗研究的基礎上認為在低濃度情況下，離心泵內的流場對顆粒分布和軌跡具有決定性意義，即使在高濃度情況下，流場也有重大影響，但固體顆粒對流場的影響較大，可能引起較大的流場畸變。由于目前實際應用和試驗大都為低濃度情況，本文對高濃度情況暫不討論。根據實際應用情況，這個低濃度

5、范圍可達35%(重量濃度)，對單個顆粒來說更是如此。1.2 磨損機理 現代的流場分析與流動測試研究表明離心葉輪流道內的流動基本上是由相對速度較小的尾流區和近似于無粘性的射流區所組成(圖2)， 射流結構尾流區緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區愈寬，射流 尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著射流 尾流結構愈強，葉輪內的損失也就愈大。尾流的形成與發展是邊界層的發展、二次流的發展、流動分離和分層效應等因素相互影響相互促進而形成的。簡而言之，就是由于葉輪流道內的液流受到葉片作功作用不均勻，靠近葉片工作面強而靠近非工作面弱，在逆向壓力梯度作用下，靠近出口處非工作面的邊界層容易產生分離，使

6、液流在邊界層附近產生回流和脫流，形成尾流區。相對流線方向的旋渦是由兩個因素產生：流線曲率和旋轉角速度。對于具有后彎型的離心葉輪，其通道上的邊界層同時受到曲率和旋轉的影響，考慮后彎葉輪的實際流動情況，引入一個綜合反應曲率和旋轉的Richardson數Ri4，即：(1)對工作面上的邊界層而言，Ri0，也即工作面上的邊界層是不穩定的，而非工作面上的邊界層是穩定的。由于受到葉輪流道內的二次流的影響，工作面不穩定邊界層里的低能微團就會通過前、后蓋板進入非工作面上的邊界層，致使非工作面的邊界層越來越厚，而工作面上的邊界層則很薄，邊界層里的液流速度較低，而邊界層外主流的液流速度較高，這樣就形成了如圖2所示的

7、尾流 射流結構。葉輪中的損失集中在尾流區，其間只有葉輪通道總流量的一小部分流體穿過。在尾流區與射流區之間，存在著具有一定速度梯度的區域。速度梯度過大，會形成射流 尾流剪切層，由于哥氏力及流線曲率的存在，射流 尾流不可混摻。尾流區的存在是真實流動效應的綜合反映，它不僅影響葉輪的效率，而且將大大增加蝸殼內的流動損失。在徑向與前向葉輪中尤其明顯，而低比轉速離心泵的葉輪就是徑向葉輪。射流 尾流水力結構一方面消耗了很大的能量，致使揚程和效率下降，另一方面使葉片工作面和后蓋板內壁的磨損加劇，尤其在靠近葉輪出口兩者的交接處，磨損十分劇烈，常導致固液兩相流離心泵的局部磨損失效。離心泵葉輪一般葉片數較少，不能假

8、定速度沿通道方向線性分布，如葉片上的載荷較大，即使考慮了粘性的影響，從總體上講吸力邊與壓力邊的速度差也會較大，從而導致通道法向方向上速度梯度較大。葉片數減少時，如葉形變化不大，則相對速度變化不大，若不減小通道寬度，速度梯度的增加分層效應增加，因此葉輪葉片的包角應加大，即采用大后彎式，以減小通道寬度，增加相對速度。分層效應與葉片的吸力邊、壓力邊的速度差有關，即與葉片上的載荷有關。欲減小分層效應必須減小葉片上的載荷。為了減小流道的磨阻損失及提高抗空蝕性能等因素，經常適當地減少葉片數，但葉片數減少后，將使葉片上的載荷增加，從而使分層效應增加。為了減少分層效應，必須加長流道以減少葉片單位長度上的載荷，

9、因此葉片數較少的葉輪，其葉型總是取大后彎的形式，一般葉片數越少，葉片越長，并且葉輪通道的當量擴張角一般小于10。當然，過分加長流道將增加流道的壁面磨擦損失，反而不利于效率的提高。對于定常運動的顆粒運動受力分析可知，在每一顆粒軌跡線上只有一個特定的運動速度能滿足平衡方程。相對于平衡軌跡上的顆粒速度過大或不足都將引起附加的哥氏力與離心力的指向，比平衡流動所要求慢的顆粒，傾向于移向吸力邊，比平衡流動所要求的速度快的顆粒傾向于移向壓力邊，這就是所謂的顆粒運動的分層效應。因此對固液兩相流泵，除了考慮液相的分層效應，還應考慮固相的分層效應。從實際流場來看，固體顆粒有趨向于葉片工作面的趨勢，只是對于質量(密

10、度及粒徑)的影響不同，趨向的速度和位置不同。而質量的影響與流場有關，如果射流 尾流結構強，則流場對顆粒質量的影響將較大，當設計較合理，射流 尾流結構弱時，流場對顆粒質量的影響將較小。顯然，從泵實際流場分析可知，射流 尾流結構對顆粒運動軌跡具有決定性影響，從而影響泵的磨損。同時實際流場分析也很好地解決了上述不同觀點之間的矛盾。觀點1的理論分析沒有考慮到實際流場的復雜性，其計算流場是用有限元計算的葉輪S1流面的液體速度場，沒有考慮到射流 尾流結構，因此得到的結果有一定的局限性。但觀點1的試驗正是采用小出口角、少葉片數等有利減弱射流 尾流結構的葉輪，因此，試驗與理論較相符。而觀點2的試驗采用大出口角

11、、多葉片數的葉輪，因此其射流 尾流結構較強，對較大質量的固體顆粒，在進入葉輪的初期受流*的后期受射流 尾流結構的影響較大，將越來越趨近工作面。2 設計方法固液兩相流離心泵的主要問題是磨損，效率次之。為了提高泵的抗磨性，除考慮材料外，還應從實際流場出發，對葉輪進行合理設計等。2.1 材料的選擇 本文中的泵所針對的運行工況為負200目的砂粒，顆粒多為堅硬的角狀，濃度高，屬于較小顆粒分散系的第一類介質，但具有很強的磨蝕性。固液兩相流離心泵內的磨損主要有兩種類型：切削磨損和疲勞磨損。對切削磨損要求材料硬度高，對疲勞磨損則要求材料韌性好，因此理想的耐磨材料應該是同時具有很高的硬度和韌性，但實際中往往是矛

12、盾的。這里采用國內外應用比較成熟的Cr15Mo3，應用表明這種材料能滿足輸送介質要求。2.2 設計方法2.2.1 比轉數的選擇 比轉數對泵的磨損有重要的影響。對于特定的工藝條件，流量、揚程往往是給定的，此時比轉數的選擇轉化為轉速的選擇。有些研究表明5，固液兩相流泵的磨損甚至與轉速n成5次方關系。但由于磨損的復雜性，至今還沒有可以準確確定轉速的理論或經驗公式。目前國內外有關研究資料推薦使用“磨損相似系數”來指導轉速的選擇6:Hn/1000K(2)式中的常數K與泵的規格尺寸和介質磨蝕性強弱有關，對水泵、磨蝕性較弱的情況，K=150；對大泵、磨蝕性較強的情況，K=100.2.2.2 葉輪的主要參數

13、由流場分析知：采用小葉片出口角2、少葉片數Z和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。故在葉輪設計如下：1)葉輪進口當量直徑：(3)式中K0為進口直徑系數，K0=3.54.5.如有輪轂，則輪轂直徑dh由相連的軸徑決定。此時7，葉輪進口直徑：(4)2)葉輪出口直徑：(5)(6)對于H85m，當ns80時，按式(5)，否則按式(6)；對于H85m，當ns60時，按式(5)，否則按式(6)；3)葉片進口寬度：進口寬度可以根據流速來確定：Vm1=(0.81.0)Vs(7)Vs為進口流速，同時考慮流動變化均勻：b1=(0.1175ln ns-0.3727)D2(8)4)葉片進口角度：考慮磨損和防堵塞,一般葉

14、片進口邊的厚度取稍厚。對于細顆粒,1=1825；對于輸送磨蝕性較強的介質，1=3040。5)葉片出口寬度： 為滿足所需的揚程和減輕磨損，認大的葉片出口寬度，這樣一方面降低了葉輪出口處的相對速度，減小葉輪磨損，防止堵塞，另一方面減小了離心泵葉輪出口處的射流 尾流效應，均勻了出口流速分布。但出口寬度不宜增加過大，否則將引起駝峰現象，導致泵運行不穩定。一般有：(9)其中，強磨蝕條件時認大值，反之認小值。離心泵設計中存在一最佳葉輪出口寬度，若偏離了這個寬度，不論出口寬度是增大還是減小，都會引起泵的關死點揚程和最高效率值下降。6)葉片出口角： 葉片出口角對泵的性能影響很大，它不但影響揚程，而且對性能曲線

15、的形狀有影響。其值和固體顆粒粒徑d50、濃度Cw等有關。根據顆粒在葉輪中的運動軌跡分析可知：粒徑大時，它在葉輪流道內流動的曲率較大，和葉片工作面接觸相對較少，出口角可較大，取2=2030；反之，粒徑小時應認小的出口角，2=1525。為了減弱射流 尾流結構，固液兩相流泵亦采用較小的葉片出口角，這樣在較少葉片數時可得到較高的揚程和穩定性，并可盡量減少顆粒碰撞葉片工作面。同時減少2可使進入壓出室的流體流動速度減小，對降低壓出室水力損失及壓出室的磨損均是有利的。7)葉片數 固液兩相流泵大都采用較少的葉片以減少磨損，一般Z=47.葉片出口角和葉片數都對泵性能有很大影響，兩者之間有密切聯系。以前為達到較高

16、揚程一般采用多葉片數大出口角，這對固液兩相流泵是很不利的。理論和試驗都表明，少葉片數和小出口角更適合。較少葉片數可減輕葉輪進出口排擠現象，也有利于克服性能曲線的駝峰。3 設計實例與工業應用3.1 設計參數表1 80NLP設計參數流量Q=60m3/h揚程H35m轉速n2900rpm功率N15kw工作溫度t70%泵進口直徑：Ds=100mm泵出口直徑：Dd=80mm3.2 結構參數表2 葉輪主要尺寸(如圖3)名 稱n(r/min)D0(mm)Dj(mm)D1(mm)D2(mm)1()2()b1(mm)b2(mm)Z原 泵29408010010026020332415580NLP2400809586

17、220242525155圖3 葉輪主要尺寸示意 圖4 80NPL性能曲線3.3 水力試驗 經水力試驗，在設計流量Q=60m3/h，揚程H=36m，效率=71%.試驗曲線如圖4所示。3.4 工業應用 原泵在設計流量Q=60m3/h時，揚程H=24.5m，效率=30.1%，不能滿足實際運行要求。在實際運行中葉輪磨損嚴重，最短的僅10余天就局部磨損失效。 改進設計后的泵已用于錢塘江作為動力設備來輸送江水，應用情況良好，運行達到設計要求，滿足現場應用需要。經三個月運行后觀察葉輪，只有輕微磨損。4 結論 1)離心泵內流場對磨損起關鍵作用，特別是葉輪出口附近的射流尾流結構是離心泵內的局部磨損的重要原因。 2)固體顆粒都有趨向于葉輪工作面的趨勢，采用小葉片出口角2、少葉片數Z和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。 3)根據水力試驗和工業應用情況，本文的分析和設計方