叶片厚度对矿井排水系统轴流泵工作特性的影响研究
刘海云
（晋中职业技术学院，山西 晋中 030600）
轴流泵是一种广泛应用在煤矿井下排水系统中的水泵，其具有结构简单、工作稳定的特点。由于煤矿井下工作环境恶劣，水泵需要在恶劣工况下频繁进行启动，因此对水泵工作时的稳定性、可靠性、使用寿命等要求较高。现有排水系统的轴流泵在使用中普遍存在着在进口和出口位置的二次流现象严重、水力损失大、工作效率低的缺陷，特别是为了适应井下恶劣的工作环境，井下排水系统的轴流泵的叶片厚度通常较大，使其具有较好的抗汽蚀性，但也同样造成了整体结构质量大、工作时效率损失大的缺陷，严重影响了井下排水系统的正常工作[1]。本文以流体动力学为基础，对不同叶片厚度情况下对排水系统工作特性的影响进行研究，为优化叶片结构，提升排水系统工作稳定性和效率奠定基础。
本文分别取常用的两种叶片厚度不同的轴流泵，按照国标规定的潜水电泵的试验方案[2]对两种泵工作时的特性进行研究，两种泵的叶片的厚度分别为5.52 mm 和3.82 mm，两种叶片的结构如图1 所示。
图1 不同厚度的叶片结构示意图（单位：mm）
利用三维建模软件建立叶片不同厚度的轴流泵的三维结构模型，然后利用导叶法对两种叶片泵工作时的特性进行研究，不同叶片厚度下轴流泵的工作特性变化曲线如图2 所示。
图2 不同叶片厚度下轴流泵的工作特性曲线
由分析结果可知，当轴流泵的流量在0.6～1.2 倍额定流量范围内时，薄叶片泵的工作扬程和效率均高于厚叶片泵的工作扬程；
当在该流量范围之外则相反。而在整个工作期间，薄型叶片泵的功率均全面高于厚叶片泵的工作功率。
由于轴流泵工作时的扬程主要取决于叶片工作时的升力的反作用力，因此叶片越薄，其工作时对流体的阻力越小，使流体的过流断面积越大。因此在相同的流量工况下，薄型叶片工作时对水流的升力反作用力大于厚型叶片的，使其具有更高的工作扬程。阻力的减小，降低了轴流泵工作时的额外的功率消耗，因此使其具有更高的工作效率和功率。
而当轴流泵工作流量过小或者过大时，水流的工作冲角不断加大，当达到某一个临界点时，其在轴流泵的叶片表面产生了脱流或者二次回流现象，此种情况下厚型叶片泵工作时的过断流面积小，使流体和叶片支架的撞击频繁，增加了水力的工作扬程，而在这个过程中造成了较大的能量损失，因此其工作效率依旧低于薄型叶片泵的工作效率。
为了对不同厚度叶片轴流泵工作时的内部流场特性进行研究，本文在建立的轴流泵的三维模型的基础上，利用ICEM Tetra 处理工具[3]，对其进行网格划分，然后以流体动力学为基础，采用CFX-post 系统导出两种轴流泵在不同工况下的仿真分析可视化云图[4]，其中在0.6 倍额定流量到1.2 倍额定流量范围内，两种叶片厚度情况下的压力分布如图3 所示。
图3 0.6～1.2 倍额定流量工况下不同厚度叶片的压力分布示意图
由仿真分析结果可知，当在该流量工况范围内，在厚型叶片的进口的位置有一个显著的低压分布区域，因此该位置处的压力值要显著大于薄型叶片在相同区域的压力值，这主要是由于厚型叶片的后部边缘处的厚度较大，是由于工作时的冲击角增大造成的。工作中薄型叶片上的压力分布较为均匀，流体流动时的流态特性较好，而厚型叶片则会导致在进口位置出现流场紊乱区域，使流体流动时的内部流场损失加大，稳定性也低于薄型叶片的。
两种水泵在大流量工况（大于1.2 倍额定工作流量）下的压力分布特性如图4 所示。
图4 大流量工况下不同厚度叶片的压力分布示意图
由图4 分析可知，在大流量的工况下，薄型叶片和厚型叶片上的压力分布均呈现降低的趋势，特别是在进口位置的低压区面积分布显著增加，由此导致在工作时的工作扬程和效率双双下降。对比可知，此种情况下，厚型叶片上的压力变化更为显著，波动幅度也更大，因此使流体流动时的性能出现更大的波动，其叶片的出口和下侧的等值线沿着叶片的径向分布，低压区面积大，压力下降的幅度也大。薄型叶片的等值线则主要沿着叶片的圆周方向分布，叶片在进口位置出现低压区，但沿工作面上压力的变化幅度相对较小，因此工作时的稳定性要高于厚型叶片工作时轴流泵的稳定性。
两种水泵在小流量工况（小于0.6 倍额定工作流量）下的压力分布特性如图5 所示。
图5 小流量工况下不同厚度叶片的压力分布示意图
由仿真分析结果可知，当轴流泵在小流量的工况下工作时，两组叶片上的压力等值线分布均较为密集，说明其压力梯度的变化范围较大。对于厚型叶片来说，其表面的压力等值线分布要远大于薄型叶片表面的等值线分布，特别是在叶片的出口位置，等值线的方向改变较大，压力分布变化较大。这主要是由于在小流量工况下厚型叶片对流体的翼形冲击角加大，在背面位置产生了流体脱流现象，而在叶片的出口处产生了二次回流，导致了厚型叶片泵在工作时出现较为强烈的振动。
本文通过对轴流泵工作特性的研究，提出利用流体动力学原理针对不同叶片厚度对轴流泵工作特性和流场特性进行分析，通过研究表明：
1）当轴流泵的流量在0.6 倍额定流量到1.2 倍额定流量范围内，薄叶片泵的工作扬程和效率均高于厚叶片泵的工作扬程，当在该流量范围之外则相反。
2）在正常流量工况范围内，薄型叶片上的压力分布较为均匀，流体流动时的流态特性较好，而厚型叶片则会导致在进口位置出现流场紊乱区域，使流体流动时的内部流场损失加大。
3）在大流量工况及小流量工况下，厚型叶片表面的压力分布变化均大于薄型叶片泵，因此导致工作时厚型叶片泵的工作稳定性低于薄型叶片泵的工作稳定性。
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