泥浆泵叶轮磨损及对策措施

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【摘要】 泥浆泵是水利疏浚工程中的常用设备,本文从泥浆泵叶轮磨损的情况出发,总结了泥浆泵的叶轮的磨损机理和磨损的影响因素,提出了相应的预防措施。

【关键词】 固液两相流泥浆泵磨损,措施

1 引言

目前固液两相流泥浆泵广泛应用于水利疏浚工程。但是,在实际的应用过程中,由于水流中存在着大量的泥沙,泥浆泵的叶轮存在着严重的磨损,严重影响了泥浆泵的正常运行。因此,通过对泥浆泵叶轮的磨损机理和规律的分析,提出减缓泥浆泵叶轮磨损的方法和措施具有重要的实际意义。

2 泥浆泵内过流部件的磨损机理

2.1 泥浆泵叶轮的磨损情况

泥浆泵叶轮是易磨损部件,而叶轮出口是其磨损最严重的位置之一,磨损后呈锯齿状。从叶片的磨损形貌可以看出,叶片工作面的冲蚀磨损严重,从进口到出口,磨损从无到有,从大到小逐渐发展,并呈纵深方向发展,而叶片的背面磨损较小,主要存在浅层凹陷形貌。叶轮前后盖板磨损比较均匀,磨损较轻[1]。

2.2 泥浆泵磨损机理

由于泵内固液两相流动的复杂性导致泥浆泵内磨损也相当复杂。泥浆从进入叶轮至排出叶轮,其运动形式在不断的发生变化。在叶轮入口处,泥浆的流动方向由轴向转变为径向,因此只有较大的颗粒会撞击叶片的头部区域,故叶片的磨损在进口处较少。同时,泥浆在绕流叶片的过程中,由于受到叶片做功的不均匀,形成压力梯度,靠近叶片非工作面的边界层出口容易产生分离,出现脱流和回流现象,导致泥浆分层,泥浆密相靠近叶片工作面,稀相靠近叶片背面,从而导致叶片工作面和叶轮出口的磨损加剧,而叶片背面磨损较小[2]。而当泥浆从叶轮进入盖板,由于惯性的作用,使得颗粒在近壁区聚集,造成盖板的磨损。

2.3 影响泥浆泵叶轮磨损的因素

影响泥浆泵叶轮磨损的因素有很多,主要有以下几个方面:一是泥浆泵的过流条件:如泥浆的流动速度、固相颗粒浓度、固相颗粒的性质和液固两相流体之间的相互作用等。二是泥浆泵的结构设计:叶轮直径、宽度;叶片数量、进出口角等。三是泥浆泵过流元件的材料选择。

2.4 磨损对泥浆泵的影响

(1)磨损对泵的性能的影响:磨损使得叶轮的外径变短,叶轮内水力损失急剧上升,导致泵的扬程下降;由于磨损造成泵的过流部件的配合间隙增大,流量和容积效率降低;磨损严重时会诱发汽蚀,而磨损和汽蚀的共同作用,使泵的磨损更加严重。(2)磨损使泵的运行环境恶化:磨损容易导致泥浆泵轴封失效,产生泄露,从而导致振动加剧。(3)磨损造成泥浆泵运行成本提高:磨损导致泥浆泵的过流元件的更换频率加快,维护和检修工作加重,导致运行成本大大增加。

3 防止泥浆泵叶轮磨损的基本措施

泥浆泵叶轮的磨损直接影响了泵的工作效率,使用寿命和运行成本。因此,在设计和制造泥浆泵的过程中,降低磨损是人们所关注的重要特性指标之一。防止泥浆泵的磨损是一个综合性的问题,从泥浆泵的设计制造、选型、系统配置等各方面都要加以注意。

3.1 通过改变水力设计提高泥浆泵的抗磨措施

(1)选用闭式叶轮。由于磨损导致叶轮与盖板之间的间隙增大对闭式叶轮的扬程、容积和流量等水力性能影响较小。(2)合理设计叶轮的几何尺寸与形状,由流场分析可知,采用适当的叶片出口角β2、少叶片数Z和大出口宽度b2的叶轮能减轻泵的磨损[3]。1)由试验可知,当泥浆泵采用的叶片出口角β2=15°～25°时可得到较高的扬程和稳定性,并可减少颗粒碰撞叶片工作面。同时合理的β2对减少压出室水力损失和压出室的磨损均是有利的[4]。2)泥浆泵大都采用较少的叶片以减少磨损,一般Z=4～7。3)增大的叶片出口宽度b2,不仅降低了叶轮出口处的相对速度,减小叶轮磨损,防止堵塞,而且减小了离心泵叶轮出口处的射流和尾流效应,均匀了出口流速分布。叶片最佳宽度可以通过设计求得。4)叶片的形状设计为进口处扭曲,出口处为圆柱形的叶片有利于叶片制造。(3)比转数的选择比转数对泵的磨损有重要的影响。有些研究表明[5],泥浆泵的磨损与转速n成5次方关系。国内外有关研究资料推荐使用“磨损相似系数”来指导转速的选择[6]。(4)增加导轮。试验表明,在叶轮入口处安装导轮,能够偏聚固体颗粒,降低对叶轮工作面的磨损,导轮结构参数根据不同的叶轮结构和运行工况需优化设计[7]。总之,泥浆泵的水利设计在提高抗磨性能的同时要兼顾水力性能,提高泵的整体性能。

3.2 运行中的抗磨损措施

(1)根据运行参数选择合适的泥浆泵型号,泵的型号选择要遵循大材小用的原则,在运行过程中可以降低泵的转速,从而减轻泵的磨损。(2)泵与管路系统的匹配,根据管路系统的压力合理选择泥浆泵的型号,使得泵的扬程与管路扬程相匹配。避免低扬程造成流速增大,过流部件磨损。

3.3 抗磨材质的应用

(1)采用高铬铸铁对泥浆泵泵体和叶轮整体铸造提高耐磨性能。(2)采用耐磨硬质合金涂层。

4 结语

由于影响泥浆泵叶轮磨损的因素很多,而将CFD技术和传统的试验方法相结合,对液固两相泥浆泵内流场磨损过程模型化,优化泥浆泵的抗磨水力学设计,再结合新材料的应用和合理的运行维护,一定能大大提高泥浆泵的耐磨性能。

参考文献:

[1]耿福明,李永顺等.清淤用泥浆泵轮叶片的冲蚀磨损形貌分析[J].南水北调与水利科技,2008,(2).

[2]倪福生,徐立群.泥沙粒径对泥浆泵性能影响的实验研究[J].水动力学研究与进展.2001,(4).

[3]陈红生,朱祖超,王乐勤.固液两相流离心泵磨损机理和叶轮的设计[J].水利学报,1999,(8).

[4]田爱民,许洪元等.离心式渣浆泵叶轮的磨损规律研究[J].水泵技术,1997,(6).

[5]许洪元,罗先武.离心泵叶轮磨损规律研究,中国工程热物理学会流体机械学术会议论文集[D].1997,(11).

[6]郭晓民等,经验法设计渣浆泵[J].水泵技术,1996,(1).

[7]杨建国等.用导轮减轻液固两相流对离心泵叶片的磨损研究[J].水泵技术,2000,(5).

基金项目:浙江水利水电学院校级项目:泥浆泵液固两相湍流三维数值模拟基金(2009)资助,项目编号为:xk2009-12

作者简介:蔡丹云(1975—),女,讲师,主要从事液固多相流体的试验研究与数值模拟。