张庆国，郝雪弟，曹瑞乾，王树阳，文如森，程 新

(1.开滦能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000；2.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

煤矿井下水仓是保障煤矿安全生产、防止矿井水灾的重要设施之一。在煤矿生产中，矿井开采面不断扩大，井下的涌水量也越来越大，排水泵无法及时地将涌水排向地面，导致水仓中积存大量涌水，积水在长时间静置后，其中的固体物会逐渐沉积，使得水仓有效容积减小，进而对煤矿的安全生产造成严重威胁，因此煤矿水仓的清淤作业至关重要。

井下水仓的清淤作业主要是通过人工清挖的方式来完成的，这种清淤方式工作效率低，清理时间长，在矿车运送过程中容易洒溅造成巷道污染，而且工人的劳动强度高，影响煤矿的安全生产。

近年来出现了许多水仓清淤新方式的研究和应用，例如机械清挖法、泵送清理法等，但是这些方法在解决一些问题的同时也会存在着不足，如无法完全满足水仓清淤时高效、低劳动强度、工作安全、无污染环境、设备管理简单等要求。巩长勇[1]设计的SQ10型水仓清挖输送机作业时收集的煤泥可以通过矿车或者管道输送，不仅具有不粘煤泥、不泄漏、不堵塞和防水性好的优点，还具有较强的爬坡能力和路面适应性，能够适应不同淤积深度的清挖作业，而且满足防爆要求。刘仁祥[2]设计的MQC-15水仓清挖系统其工作流程是水仓清挖机通过螺旋机构将淤积的煤泥搅拌成煤泥水并送至清挖机底部泵送系统的吸料口，接着利用活塞泵将煤泥水抽吸至缓冲搅拌设备内，然后再利用活塞泵将搅拌均匀的煤泥水送入压滤设备，在高压下去除大部分的水分并将其排入水仓，最后便可以得到含水极低的煤泥饼，将其装入矿车运出。

靳永刚[3]提出采用压气排泥罐清挖水仓，其工作方法是先将煤泥引入排泥罐，然后到封闭罐，输入压缩空气，通过空气的压力将煤泥送入排泥仓，然后再利用泵送等方式排出。宗艳民[4]提出利用泵清理煤泥的方式。一种是通过负压将煤泥吸入泵内，通过活塞加压再将煤泥输送出去，这种方式具有周期性，易产生返流；另一种是采用泥浆泵、渣浆泵等离心泵组成清淤系统，进行稀释抽吸—搅拌过滤—压滤成饼—装车输运。这种方式清淤效率较高，工作流程简单可靠。但是由于输送煤泥不同于输送普通的渣浆，所以渣浆泵的性能不能很好的体现。

本文针对煤矿水仓清淤中的煤泥水清理和输送问题，以新型潜水渣浆泵为参考设计出一种用于清理煤泥水的离心式输送泵原理样机，运用流体分析软件完成样机流场特征分析，从而为实际设计提供理论参考。

1 煤泥水输送泵结构设计

本文研究的离心式煤泥水输送泵在结构上参考了鼓德温公司生产的新型潜水渣浆泵进行设计，设计目标是使该泵具有寿命长、扬程大、工作范围广泛，并能适应浓密渣浆输送的工况[5]。电机内嵌在蜗壳中，使得该泵可以满足全潜和半潜两种工作状态，采用结构对称来保证工作时的平衡，避免因此出现部件失效[6-10]。

叶轮是离心泵中最重要的过流部件之一，承担着给流体提供能量的任务。由于叶轮转速太高会大大加速叶轮的磨损[11]，因此在输送杂质流体时常选择低比转速，但是此时泵的效率会较低。为提高泵送效率，设计上采用减小叶轮的外径，同时适当提高叶轮转速，本文选择叶轮外径为400mm。离心泵叶片型线采用双圆弧型。考虑到离心泵叶片出口处流速较大，将叶片出口处厚度增大，来延长叶轮的使用寿命。为改善泵内的流场分布适当减小叶轮的出口宽度，并且可以少量提高泵的扬程[12]。叶轮的三维实体模型如图1所示。

图1 叶轮的3D模型

蜗壳是另外一个重要的过流部件，它将叶轮甩出的流体收集起来并输送至离心泵的出口。在对蜗壳的设计中，考虑到加工的难易程度以及工作中方便零部件替换，将蜗壳分为上下两个部分。下蜗壳内流道曲线轮廓采用双圆弧画法进行设计：上蜗壳内部是一个包裹着电机的管状空腔，从下蜗壳流出的液体进入上蜗壳中，可以起到给电机降温的作用，实现输送泵可满足半潜工作的目标。上蜗壳的对称结构设计可以提高输送泵整体的平衡性，在工作中减小泵的振动，进一步降低了泵送过程中的功耗损失，提高了工作效率。由于出口处液体的流速增大，磨损也会变大，所以上蜗壳与出口弯管分开制造，两者通过法兰连接[13，14]。下蜗壳、上蜗壳结构如图2、图3所示。

图2 下蜗壳的3D模型

图3 上蜗壳的3D模型

将出口弯管、前盖板、主轴、电机箱等零部件设计完成后进行组装，得到输送泵的三维实体模型如图4所示。

图4 输送泵的3D模型

2 煤泥水输送泵流场模型建立

2.1 输送泵流场有限元模型建立

煤泥水输送泵流场模型包括进口延伸段、叶片流道、背叶片流道、下蜗壳流道和上蜗壳流道五个部分，组合后如图5所示。输送泵流场模型采用ANSYS中Geometry创建，并利用ICEM进行网格划分。由于输送泵流道模型中有转动部分，以及部分网格需要细分或简单粗化，所以将上述五个部分依次进行网格划分，然后再利用ICEM装配到一起。所有网格均采用四面体非结构网格自动生成方式。为了保证计算质量，网格尺寸设置为较小尺寸，划分好的网格模型如图6所示，单元总数为4406227个。

图5 输送泵内部流道实体模型

图6 输送泵流道网格

2.2 求解器设置

选择Fluent 3D求解器。为减少求解时间，选择双精度多核并行处理模式。在求解器设置中选择Pressure-Based、Absolute、Steady选项，其余为默认值。选择mm作为网格创建单位，转速单位为rpm。选择k-epsilon(2 eqn)，即k-ε两方程模型。再选择RNG模式，以适应旋转流场的分析。

输送泵输送的介质为煤泥水，即为水仓底部的淤积煤泥。水仓底部的煤泥淤积时间较长，浓度较大，为准确模拟该浓度附近的煤泥水特性，在实验室配备了40.93%、43.26%、45.36%、47.14%、48.74%、49.72%六种浓度的煤泥水，测试了其密度和粘度，在Fluent材料数据库中创建了该种介质，用来完成后续的数值计算。

由于泵内煤泥水在泵叶推动下产生旋转运动，因此流场计算要利用动网格技术，对旋转的流体设置转向和转速数值。由于在网格划分时将整个流道分为了五个部分，所以各部分之间存在交界面，当导入Fluent运算时需要将互相配合的交接面一一对应起来，因此需要在网格界面设置面板中将互相配合的交界面设为一体。

求解算法选择SIMPLE算法，离散格式选为二阶迎风格式。对进出口的压力残差进行监测，收敛指标设定为0.001。选择速度入口，并输入进口速度。设置完所有边界条件和参数后，还需要进行初始化才能运算，选择标准初始化方式。经过初始化后，便可以进行Fluent仿真运算，当检测到迭代收敛或者达到设置步数后计算结束。

3 计算结果与分析

为分析流场内部压力和速度特征，对模型创建截面，在截面上显示压力场、速度场等参数，来进一步分析输送泵流场的特征。

3.1 输送泵压力场分析

输送泵流道内的压力分布反映了流体在泵内的能量分布情况，可以直观了解输送泵的工作性能。叶轮流道内的压力分布如图7所示。从图7(a)可以看出，叶轮流道内液体压强随着半径的增大而增大，最低压力在叶轮的进口处，最高压力出现在叶轮叶片尖部，符合泵内压力理论分布特征。压力在流道内分布不均，不同流道处压力分布差异较大，并且可以看出靠近叶轮出口处流道整体压力逐渐增大；在相同半径上叶轮工作面的压力要比非工作面的压力高。

图7 叶轮流道的压力场

在叶轮中心部位存在负压区(圈出部位)，使得流体源源不断地从进口处吸入叶轮，再被叶轮送至蜗壳及泵外，实现泵送过程。

流场轴向剖面压力场如图8所示。从图7(b)、图8中可以看出，输送泵内流体在进口面到叶轮内压强减小，从叶轮内圈到蜗壳进口压强在升高，从蜗壳到出口压强又逐渐减小，这符合离心式输送泵的工作原理。流量越小对该处的影响越大，随着流量的增加该处的流动状况会有好转。

图8 轴向剖面的压力场

3.2 输送泵流场分析

3.2.1 流速大小分析

泵流道剖面内的速度分布如图9所示。总体来看，叶轮内的流动情况良好，无明显分离情况；液体在叶轮进口处流动均匀时流速很低，沿着叶轮流道速度逐渐增加的趋势一致；同时叶轮工作面的速度比非工作面的速度更大，输送泵内流体速度最大的位置在叶片工作面的中部(图9(a)1处)，其次在叶轮流道的出口处(图9(a)2处)，也即是叶片的尾端，所以这两个位置应该是叶轮磨损最为严重的部位，在设计和工艺处理时应特别对待，以提高泵的寿命。输送泵蜗壳内，尤其是上蜗壳内的流体速度较为缓慢，这有利于电机的散热，但是在下蜗壳通向上蜗壳处，流体速度分布不均(图9(a)3处)，结构上仍需改进；输送泵的出口流道中流速有所提高，对于出口弯管有一定的冲击磨损(图9(b)1处)，所以从寿命上考虑，弯管的寿命大大低于上蜗壳，所以将出口弯管和上蜗壳分开制造，可以避免局部损坏引起整体更换。

图9 泵流道剖面的速度场

3.2.2 流动方向分析

输送泵的运行中，流体会在一些部位形成漩涡，不仅损耗了能量，也会加速该部位的磨损，采用速度矢量图来研究泵内流体的运动情况。输送泵在进口处的流体状态如图10所示，可以看出在图中圈出的位置存在两个漩涡，该位置恰是进口延伸段与叶轮流道的交界处，漩涡的形成应该是流体从轴向速度运动至叶轮中时，突然获得转速导致的，为了削弱这种漩涡，可以通过预先在流体进入叶轮前给流体提供一个旋转速度，使得流体在进入叶轮时，状态发生的变化不太剧烈。在实验中，对于预先转速这一因素的分析，选择了600r/min、900r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min五组不同的预先转速转速，所得各预先转速下输送泵的扬程变化见表1。根据实验结果可以发现，预先转速对泵送扬程效率的提高影响极大。这个预先转速可以通过输送泵下部的搅拌器施加，所以搅拌器的作用不仅包括搅匀煤泥水，还可以减小泵能量损失，提高泵的效率，减少泵零件的磨损。

图10 进口处剖面速度矢量图

表1 转速对输送泵扬程的影响

叶轮流道内存在的漩涡(图中圆圈处)如图11所示，这一位置漩涡的存在与叶轮的进口直径有关。在实验中，将叶轮的进口直径从160mm逐渐增大到200mm，所得各直径下输送泵的扬程大小见表2。经实验证实，当叶轮的进口直径减小时，叶轮流道内的漩涡会逐渐减小，能量损耗降低，泵送扬程增加，验证了仿真结果的准确性。所以在叶轮的设计时，应尽量减小叶轮的进口直径。

图11 叶轮流道剖面速度矢量图

表2 叶轮进口直径对输送泵扬程的影响

下蜗壳流道中存在的漩涡(图中圆圈处)如图11所示。该位置的漩涡生成原因较多，流体从水平方向的速度转变为竖直方向的速度是一个原因，下蜗壳通道过长也是一个原因，此外叶轮的一些结构参数如也会影响这一位置漩涡的大小。

图12 下蜗壳流道剖面速度矢量

3.3 输送泵扬程计算

离心泵实际扬程的计算方程为：

式中，Pout为泵出口压力，Pa；Pint为泵进口压力，Pa；cout为泵出口速度，m/s；cint为泵进口速度，m/s；ρ为液体密度，kg/cm3；ΔH为进出口的垂直高度差，m。

通过Fluent计算进出口静压力值和进出口速度值，见表3。

表3 进出口的静压力值和速度值

将表中的数值以及煤泥水的密度代入式(1)，即可得到输送泵的扬程。相关数值有ρ=1243kg/m3，ΔH=0.978m，求得扬程数值为51.5m。

4 结 论

1)设计了一种面对恶劣工况的新型输送泵原理样机，出口流速为3.17m/s，扬程为51.5m，采用结构对称来避免部件失效，保证工作时的平衡，此种泵寿命长、扬程大、工作范围广泛，进出口的流速和压力适中，适用于水仓清淤的工作。

2)对输送泵压力场分析表明：叶轮流道内的液体压强随着半径的增大而增大；在下蜗壳与叶轮交换流体部位，压力分布相对于叶轮流道不均匀度更大而且具有突变性，这种压力分布异常是由于叶轮流道内的流体和蜗壳流道内的流体在交界处相互作用所造成。

3)对输送泵速度场分析表明：输送泵内流体速度最大的位置在叶片工作面中部和叶片尾端，是叶轮磨损最为严重的部位，在设计和工艺处理时应重点针对。进口延伸段与叶轮流道的交界处有漩涡，是由于流体从轴向速度运动至叶轮中时突然获得转速导致的，可通过预先在流体进入叶轮前给流体提供一个旋转速度来削弱漩涡。叶轮流道内存在漩涡，在叶轮的进口直径减小时叶轮流道内的漩涡会逐渐减小，使泵送扬程增加，所以在设计叶轮时，应尽量减小叶轮的进口直径。