论文部分内容阅读
摘要：渣浆泵是固液混合物料管道输送的核心设备，在众多工业部门具有广泛的应用。本文对渣浆泵的两相流设计理论进行了研究，并利用该理论对渣浆泵进行了设计并得到了过流部件的参数，最后对本文设计的离心式渣浆泵的结构及特点进行了分析。本文所设计的离心式渣浆泵耐磨性能好、使用寿命长，具有较高的工作效率和稳定性。
关键词：渣浆泵；离心泵；两相流理论；设计
中图分类号：TH311 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）05（c）0000-00
1 引言
渣浆泵在水利、煤炭、冶金等工业部门的固体物料水力运输方面被广泛应用并占有举足轻重的地位。传统的渣浆泵设计一般建立在单相流理论的基础之上，而这种理论并不适合渣浆泵中所抽送的固液混合物料的两相流体特性，因此设计出的渣浆泵轴封泄露比较严重，效率低、磨损严重且寿命短。虽然采用部分关键参数经验取值的方法可以在一定程度上克服单相流理论的缺陷，但是对渣浆泵的性能改进效果并不明显。
因此，基于两相流理论对渣浆泵进行设计是提高其性能的关键。本文在两相流理论的基础上，考虑了所抽送两相物料的具体性质，设计了一种新型实用的离心式渣浆泵，所设计的渣浆泵具有耐磨、工作稳定可靠、寿命长等优点。
2设计理论
根据两相流理论进行渣浆泵设计的核心思想是：要考虑到渣浆泵中的两相物料是分离流动的，固相颗粒和水流的受力是不同的，由于固相颗粒在渣浆泵中的运动和受力特性非常复杂，两相流理论中有一种“畸变速度设计法”是利用固相颗粒的运动和水流运动的边界条件近似相等的关系求出水流的畸变速度场后再进行设计。
在进行设计前先确定设计参数如下：流量Q=50m3·h-1，扬程H=18m，转速n=1450r·min-1，效率η=60%；以实际应用中重介质选煤为例，把磁铁矿粉作为固相颗粒，其密度ρs=4.6*103kg·m-3，固相颗粒的最大直径dsmax=0.075*10-3m，固相颗粒的中值粒径d50=0.06*10-3m，固相颗粒的体积浓度Cv=20%，固相颗粒的质量浓度Cw=53.5%，浆体密度ρm=1.72*103kg·m-3。
渣浆泵的过流部件价格如图1所示，其中1为叶轮，2为吸水室，3为压出室，本文主要对叶轮和压出室进行设计。
2.1 叶轮的设计
叶轮的主要设计参数包括叶轮进口直径D0，叶片进口直径D1，叶轮出口直径D2，叶片进口宽度b1和叶片出口宽度b2。
根据两相流体模型，以叶轮内的固液两相流体的水力损失最小为原则，考虑到临界沉降速度并且在离心力和绕流阻力的作用下叶轮中的固相和水流具有不同的速度，固相颗粒在叶轮的进口容易堆积堵塞，水流速度相对更大，而固相颗粒在叶轮出口处对水流产生抽吸，固相颗粒的速度相对更大。根据以上原理进行一系列的数学推导可以得到如下设计参数，叶轮轴面投影如图2所示。
D0=0.070m，D1=0.066m，D2=0.200m，b1=0.037m，b2=0.032m。
2.2 压出室的设计
压出室设计的合理与否对渣浆泵的性能具有很大影响，为了保证设计出的离心式渣浆泵具有较高的效率和良好耐磨性，本文选择涡室断面为矩形的螺旋形压出室。其主要的设计参数包括基圆直径D3，进口宽度b3，隔舌安放角θ，涡室第VIII断面面积FVIII。
其中D3一般取D2的1.05到1.20倍，具体取值与渣浆泵的大小有关，θ一般取30°到50°之间的角度。根据经验以及数学推导，可得如下设计参数：
D3=0.220m，b3=0.076m，θ=45°，FVIII=3.762*10-3 m2。
3 结构设计
本文设计的离心式渣浆泵选择卧式单级悬臂模式，其主要部件包括泵头、轴封、传动部件组成。
本文渣浆泵的泵头由泵盖、泵体、叶轮和护板四部分组成。采用双泵壳结构，用泵盖和泵体共同构成渣浆泵的外壳，为了保证外壳强度和便于加工，可以选用球墨铸铁材料制作外壳；内壳由前后护板和护套组成，护套即为上文所设计的压出室，为了提高甭的水利和耐磨性能，可以选用碳化硅制作内壳。叶轮同样选择碳化硅作为制作材料，叶轮前盘和前护板之间采用斜面密封。
本文渣浆泵采用填料密封的方式进行轴封，水封压力要达到22m水柱，并且注意轴封部件要采用泵压入式工作方式。
传动部件可以采用滚筒式脂润滑托架，并保证轴承能够在托架上沿轴向运动，轴承两端进行迷宫密封。
4 总结
采用以上方法设计得到的离心式渣浆泵能够有效减轻泵中抽送的固液混合物料对过流部件的磨损，从而提高了渣浆泵的寿命和工作效率，并且轴封的设计对密封性提供了良好的保障，保证了渣浆泵可以稳定可靠运行。
同时也可以看出利用两相流理论进行离心式渣浆泵的设计更符合渣浆泵的工作特点，设计出的渣浆泵具有更广阔的应用空间。然而，在高浓度、粗颗粒、高硬度的固液混合物流下的渣浆泵设计还有待进一步加强研究。另外，随着计算机技术的发展，渣浆泵的计算机辅助化设计也是研究方向之一，对未来高性能、强耐磨耐腐蚀的渣浆泵的开发设计开辟了一条新的道路。
参考文献
[1] 董星，马安昌.耐磨离心式渣浆泵的设计[J].煤矿机械，2001（4）.
[2] 李颖芝. 基于抗冲蚀性的实用新型渣浆泵设计[J].硅谷，2009（14）.
[3] 张玉新，陈春祥，郭俊强等.低比转数离心式渣浆泵的理论和设计[J].水泵技术，1999（3）.
[4] 许洪元.离心式渣浆泵的设计理论研究与应用[J].水利发电学报，1998（1）.
关键词：渣浆泵；离心泵；两相流理论；设计
中图分类号：TH311 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）05（c）0000-00
1 引言
渣浆泵在水利、煤炭、冶金等工业部门的固体物料水力运输方面被广泛应用并占有举足轻重的地位。传统的渣浆泵设计一般建立在单相流理论的基础之上，而这种理论并不适合渣浆泵中所抽送的固液混合物料的两相流体特性，因此设计出的渣浆泵轴封泄露比较严重，效率低、磨损严重且寿命短。虽然采用部分关键参数经验取值的方法可以在一定程度上克服单相流理论的缺陷，但是对渣浆泵的性能改进效果并不明显。
因此，基于两相流理论对渣浆泵进行设计是提高其性能的关键。本文在两相流理论的基础上，考虑了所抽送两相物料的具体性质，设计了一种新型实用的离心式渣浆泵，所设计的渣浆泵具有耐磨、工作稳定可靠、寿命长等优点。
2设计理论
根据两相流理论进行渣浆泵设计的核心思想是：要考虑到渣浆泵中的两相物料是分离流动的，固相颗粒和水流的受力是不同的，由于固相颗粒在渣浆泵中的运动和受力特性非常复杂，两相流理论中有一种“畸变速度设计法”是利用固相颗粒的运动和水流运动的边界条件近似相等的关系求出水流的畸变速度场后再进行设计。
在进行设计前先确定设计参数如下：流量Q=50m3·h-1，扬程H=18m，转速n=1450r·min-1，效率η=60%；以实际应用中重介质选煤为例，把磁铁矿粉作为固相颗粒，其密度ρs=4.6*103kg·m-3，固相颗粒的最大直径dsmax=0.075*10-3m，固相颗粒的中值粒径d50=0.06*10-3m，固相颗粒的体积浓度Cv=20%，固相颗粒的质量浓度Cw=53.5%，浆体密度ρm=1.72*103kg·m-3。
渣浆泵的过流部件价格如图1所示，其中1为叶轮，2为吸水室，3为压出室，本文主要对叶轮和压出室进行设计。
2.1 叶轮的设计
叶轮的主要设计参数包括叶轮进口直径D0，叶片进口直径D1，叶轮出口直径D2，叶片进口宽度b1和叶片出口宽度b2。
根据两相流体模型，以叶轮内的固液两相流体的水力损失最小为原则，考虑到临界沉降速度并且在离心力和绕流阻力的作用下叶轮中的固相和水流具有不同的速度，固相颗粒在叶轮的进口容易堆积堵塞，水流速度相对更大，而固相颗粒在叶轮出口处对水流产生抽吸，固相颗粒的速度相对更大。根据以上原理进行一系列的数学推导可以得到如下设计参数，叶轮轴面投影如图2所示。
D0=0.070m，D1=0.066m，D2=0.200m，b1=0.037m，b2=0.032m。
2.2 压出室的设计
压出室设计的合理与否对渣浆泵的性能具有很大影响，为了保证设计出的离心式渣浆泵具有较高的效率和良好耐磨性，本文选择涡室断面为矩形的螺旋形压出室。其主要的设计参数包括基圆直径D3，进口宽度b3，隔舌安放角θ，涡室第VIII断面面积FVIII。
其中D3一般取D2的1.05到1.20倍，具体取值与渣浆泵的大小有关，θ一般取30°到50°之间的角度。根据经验以及数学推导，可得如下设计参数：
D3=0.220m，b3=0.076m，θ=45°，FVIII=3.762*10-3 m2。
3 结构设计
本文设计的离心式渣浆泵选择卧式单级悬臂模式，其主要部件包括泵头、轴封、传动部件组成。
本文渣浆泵的泵头由泵盖、泵体、叶轮和护板四部分组成。采用双泵壳结构，用泵盖和泵体共同构成渣浆泵的外壳，为了保证外壳强度和便于加工，可以选用球墨铸铁材料制作外壳；内壳由前后护板和护套组成，护套即为上文所设计的压出室，为了提高甭的水利和耐磨性能，可以选用碳化硅制作内壳。叶轮同样选择碳化硅作为制作材料，叶轮前盘和前护板之间采用斜面密封。
本文渣浆泵采用填料密封的方式进行轴封，水封压力要达到22m水柱，并且注意轴封部件要采用泵压入式工作方式。
传动部件可以采用滚筒式脂润滑托架，并保证轴承能够在托架上沿轴向运动，轴承两端进行迷宫密封。
4 总结
采用以上方法设计得到的离心式渣浆泵能够有效减轻泵中抽送的固液混合物料对过流部件的磨损，从而提高了渣浆泵的寿命和工作效率，并且轴封的设计对密封性提供了良好的保障，保证了渣浆泵可以稳定可靠运行。
同时也可以看出利用两相流理论进行离心式渣浆泵的设计更符合渣浆泵的工作特点，设计出的渣浆泵具有更广阔的应用空间。然而，在高浓度、粗颗粒、高硬度的固液混合物流下的渣浆泵设计还有待进一步加强研究。另外，随着计算机技术的发展，渣浆泵的计算机辅助化设计也是研究方向之一，对未来高性能、强耐磨耐腐蚀的渣浆泵的开发设计开辟了一条新的道路。
参考文献
[1] 董星，马安昌.耐磨离心式渣浆泵的设计[J].煤矿机械，2001（4）.
[2] 李颖芝. 基于抗冲蚀性的实用新型渣浆泵设计[J].硅谷，2009（14）.
[3] 张玉新，陈春祥，郭俊强等.低比转数离心式渣浆泵的理论和设计[J].水泵技术，1999（3）.
[4] 许洪元.离心式渣浆泵的设计理论研究与应用[J].水利发电学报，1998（1）.