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1、武汉 水 运 工 程学院学报198 6年第4期(第10卷)JuornalofWuhanUniversityofWaterTransProtationEngi红e eringJ勺。4Vol198610泥泵流动特性与磨损唐亚雄(液压教研室)提要本文以模型泵试验结果和大量吸扬式挖泥船泥泵现场考察资料为根据,研究了泥泵流体流动特性,论述了泥泵内流体流动特性与泥泵磨损的关系,为设计耐磨泥泵提供了理论依据。泥泵是所有吸扬式挖泥船(包括纯 吸、绞吸与耙吸式挖泥船)极为重要的部件,堪称为吸扬式挖 泥船的, J乙脏”,其性能好坏及寿命的长短,严重地影响着吸扬式挖泥船的生产效率和经济 性。为此,国内外疏滚行业云集
2、大量专家从事泥泵研究。我国交通部还专门组织了有相 当规模的“泥泵攻关小组”,进行了大量调 查和试验,并侧重于泥泵磨损L问题的 研究。从湖北、湖南、广东、江西、江苏、安徽、山东、天津、河北、河南、黑 龙江、上海等十三个省市,30 0多条吸 扬式挖泥船的实地考察资料和 模型泵试验结果来看:其一,泥 泵在作业中的磨损是十分严重的,其二,各个泥 泵磨损形态和部位,有其共同的规律t”。归纳起来,泥泵磨损 与泵内泥浆流动特性、泥泵 各部件所采用的材料、泥泵结构、泥 泵所泵送的泥浆(土质)及泥泵运行管理质 量等诸方面因素密切 相关。现仅 从泥泵内流体流动特性的角度来论述减少泥泵磨损 问题。延长泥泵使用寿命问
3、题与 泵内研磨粒子(砂、石)运动特性密切相关。由于 肉眼观察不到泵内流道,所以不能 分析研磨粒子与泵流道摩擦表面之 间相 互作用的特性。目前国内外研究泵 内泥浆流动特性的方法是一 种间接的方法,是根据装在泵内的橡皮球试样磨损程度来判断的。用此方法时,将橡皮球试样放入流道 内,泵送泥土后研磨粒 子使试样产生磨损,按照被磨损的截面作出 研磨粒子运动轨迹定性图,图1研究泥泵流道 内泥浆棍的试 验 台l,2,3一透 明有机玻璃的前叶墙、泵盖和吸管;4一电影摄机CK C一IM;5一聚荣灯研磨粒子运动速度的相对值按试样被磨耗的重量来判断。为了能 肉眼 观察 到,并能块速拍摄泵 流道内流体流动情况,泵 的叶
4、墙、盖板及吸管均 用透明有机玻璃制成图l)。当拍摄出泵内研磨粒子运动轨迹后,便可了解到研磨粒子的运动规律,以便有力地解释由现场考察到的泥泵磨损实况I的成因。从而,我们可通过改善泥泵内流体流动特性来减少泥泵的磨损。一、泥泵叶轮叶片吸口处的工作流动特性图2为泥泵输水时的工作特性。泵工况 对泵内工作流的形成有重要的影响。轻 负荷 状态,当泵需要克服较大的压头时,部分 液流可能从叶轮倒 流入吸管。由于叶 轮在旋转,使吸管处形成涡流。图3a )为轻载时橡皮球和砂在吸管内的运动轨迹图。由此图看出橡皮运动轨迹与泵中心 线 呈某种角度,这说明吸入管内有旋涡流。然而,在同等条件下输送砾石时,其砾石在吸管的运动轨
5、迹平行于泵轴心线,未能引起砾石粒子旋涡流(见图3b ) )。这样,可解释为:轻载工况下从叶轮逆流所弓I起的泥 浆的液相旋涡还不足以克服吸管内研磨粒 子(砾石)直 线运动的 惯性力。设 计工 况 时一般没有这种逆流现象,只在叶片进口边稍厚而使液流相对于泵轴心产生旋涡运动的那一部,可能导致旋涡。故本节任务乃是对叶片入口边引起旋涡的可能性程度进行估算。研究时将液流分成烧过和顺着升片入口边进入叶片腔两种形式。前者紧靠叶片入口边,液流形状受其影响;后者离入口边远(离开距离不小于 泵叶片入口边截面圆弧半径的5倍),实际 上已不受 其影响。因此,顺着叶片入口边的液流的切向速度分量实际 上等 于叶片入口边的圆
6、周速度。卜卜二下下妇 !一下一 洲洲洲洲洲科蔽石石! ! ! 犷犷犷犷犷I I I、 、月月月月月月月巨沪沪1 1 1 1 1! ! ! ! !沪尹尸尸日日l l l 尹尸产产r, ,! ! !,_ _ _N N N州州尸月月尸叶门- - -l l l l l_ _ _才巡巡产尸 l l l l l l l叮叮石一一一 _; ; ; Q8162 4324 01 /:图2试验泵输水时的工作特性I一轻载工况;亚一设计土况;皿一超载工况。图召轻载时吸管内液流和研磨粒子达动特性a )输水;b )泵砾石 其速度应该分成绝对流速和相对流速,绝对流速是对泵壳而言,相对速度是对叶轮而言。研究时采用符号如下:u
7、。叶片入口边的圆周速度,ms /,W液流相对速度,ms /;C液流绝对速度,m/s。相对和绝对圆周 速度用u表 示,而径 向速度用m表示。图4表示试验泵里直接靠近直径32 0mm的叶轮叶片入口边缘的橡皮球运动轨迹,轨迹上各点之向的距离为1/60 05所经过的路程。图的 上部为工作液(水)绕叶片入口边缘时的圆周速度图:基准面 卜工以左,为相 对的液流 分子运动速度;卜I以右,为绝对的液流分子运动 速度。具有液 流圆周绝对速度,表明相对于 泵轴心 出现了旋涡,其速度用下式确定C。=C。一W。=W。,一W。(1)若 将液 流旋涡速度C。与其绕 叶片入口部流动 的圆周速度。相比,计及式(1)后,可得出
8、下述关系 式仍。阴 与一 粤爵C。UeCuC。+W。(2)先将绕流处视作一圆柱。大家知道,由理想液体流动平面势形成的无循 环圆柱绕 流谱可用流体特性函数写成W=甲十i中(3)很明显,式(3)可写成W=v。(Z+ (选)图4直接在泥泵咔轮川一片入口边缘 的液流特性1,2一输水时与液体质点的相对 和绝对运动相一致的圆周速度分布图;W。,C。一直 接在叶片 边缘的液流相对和绝对速度式中将数公式V。渗流速度(图5);r。圆柱直径;Z复数变量( Z=X十iy),其中X和Y为坐标轴 上圆柱环流谱点位置 的径向投影。(4)式括号 内第二项的分子、分母均乘以复数变量(X一iy),可得出液流特性函w=v。!(x
9、+Y )+r。“(X一iy) (X+iy)(X一iy)(5)共扼复数的乘积可得出(X丰i丫) (X一iy)=X“一YZ(6)变换式(5)得,.皿J.、. 万了W一V。!X饭城得丁+(Y-1 。一丫XZ+YZ(7)由式(3)和 式(7)可写成甲一v。(1r。 “、 一X+YZ广山二V。Y1一r0 2X“+YZ(8)为分析圆柱表面 附近的速度场,势写成下式:C P=V。列出径向Q方 向的速度VR算式,为此 将式(8)的速度(1+子)R一。 (9)式中0为R和X一X轴之间的夹角(图5)。按R取偏 导数甲后得V一器一V。(子)。05。 (10)当e七0,则VR=Vx,R“二X“在此情况下,直接靠近圆柱
10、表面 的相对流速将为下式vx二v。(卜一 兴)(11)由(11)式可见,绕 圆柱的 流速Vx实质上取决于 圆柱尺寸r。与圆柱至计算此速度点的距离,即取决于X值。当e子0,利用上述关系,还可得到 绕圆柱的另一流速V,。为简化命题,我 们仅 限于研究沿X一X轴的流体运动。为适合 于圆注情况,将泥泵叶 片入口边缘(其工作部分具有圆柱表面 的形状)的 流动看作为环流。图5为绕 泵叶片入口边缘的 水 流速度原理图。由速度三角形看出,叶片入口边缘 的渗流速度W二,是速度W。;和W二的几何组成,可写成W是1二W汁、+W孟(12)式中W。,和W二分别为渗流相对速度的 切 线速度和正常速度。速度w。,和w二可按
11、以下关系式求出W。W。=兀D。n=U。=- 60(13)北D。b(14)式中u。叶片 入口边缘的 圆周速度,D。叶片入口边缘的分布直径,b叶轮宽。图5绕叶片边缘和圆柱 的流迭向量图1,2一分别为圆柱和叶片入口边线;v。,、二1一分别为对圆柱和叶片上边纷的渗流速度;Vb,W二一分别为对圆柱和叶片边缘土的绕流速度;C。,C二一分别为O一O周 圆和X一X轴切线的绝对 速度投影叶片入口边缘的渗流速度 与绕 流速度 之间相 差一个绝对速度C。(C“按( 1 )式计算)。按类 似公式,由图气得出叶片入口边缘的绕 流速度W二为W二二W二;一C二劝l (5)式中C二叶片旋转形成的流速。这样,若了解C二值的变化
12、规律,则可算出每一不同情况绕叶片入口边缘的流速。一将式(11)中的速度V。换成(12) 式算出W二;,而将速 度V:和半径r。换成W二和f,则类似圆柱的绕流可得到具有圆柱形状的叶片入口边 缘液体绕流 规律性。W一恤1W今“2( 1一纂一)(16)由图5的速度三 角形可得出c。S。=微将等式(16 )左右乘以cosa,并注意到式(17 )和关系式(12)后,得w:c 。 s。=w。,(卜谷)(18)因W二eosa=Wu(图5),则由式(18)得W一W一(卜子)(19)用相应公式(1)和(13)换去速度W。和W。1,最后得C。rZ一又飞r2u=u“刃(2 0)由式(20)可得出结论:叶片入口边缘的
13、半径(厚度)和圆周速度对液流进入叶片入口处的旋涡影响极大。最大涡 流就直接发生在叶片入口边缘。离开它,涡流速度很快下降。当距叶片入口边缘的距 离为其半径 的五倍 时,涡流速度小到可以忽略不计。二、泵水时泥泵流道 内的流动特性1。叶轮在不同工况下,叶轮内的流动特性不同。当轻负荷时,在叶轮长度三分之一处,从其入口端发现,部分水流从叶轮返流入吸管内,使水流在泵吸管内产生涡流(图6a )。当泵处于最佳工况 时,进入叶轮叶片间 流道的液流全部流至泵壳流道,没有从叶轮返流入吸管的现象(图6b) )。当泵处于超载工 况时,液流在叶片出口边缘的后端形成涡 流区,图上 虚线表示,在此区域内产生附加的液压损失(图
14、6c )。2。泵壳图7a为等截面 泵壳 流道,以图示橡皮球的运动轨迹,表征输水时 的液流情况。泵壳特性截面为切线流速图(阴影图)。由图可见,泵壳内工作流速顺流方向逐渐增加,最大流速在计算截面(W)。从磨损观点来看,表明泵 壳内最薄 弱的地方是流道计算截面,图6泵水时,泥泵叶轮内的液流特性a,b,。一分别为泵轻载工况,最佳工 况和超载工况在所有试验工 况下,所有的研磨粒子运动速度都是最大的,故等截面泵壳流道设计是不合理的。为了使泵壳磨损均匀,泵壳流道不应为等截面,而应设计成 蜗壳形。在设计流量范围内,沿着离心泵蜗壳圆周 的压力需要保持恒等。理论上,蜗壳 内相 等的流速应该产生相等圆周 压力。所以
15、,在蜗壳的设计中,沿着蜗壳圆周 的流速V。应该保持l长飞,图7a )泥泵泵水昧泵壳流道内的液流特性的 蜗形泵壳I和理一分别为泵壳雄道的始截面和计算截面,V。不变,磨饭均匀V。一流体的切线速度(即圆周速度)相等(图7b )。V。不鸟则磨损均匀二关于蜗壳内流速V。应该取多犬,存在着不同钓规点。一般泵的V。的最佳值为.、v。=KY了2脚式中K二一随泵的比转速。的增大而减少的系数K,值为仇43至o.3n,值为14哭爵吐7侃美国设计泥泵 时将V二取得稍低,在任何情况下不超过排管梳:逮v八,速度Y。过低馆害处是:当泥浆从叶轮流入蜗壳流道时急剧扩散,、 压头损耗甚大。反之,V。值过大,一同样悬不可取的,因为
16、它会使蜗壳流道很快磨损。苏联资料指出:当v。二1 4,s /时,蜗 壳磨损月哪耸严重。笔者认为以V。=6一gms /为佳。现在让我们来研究泵的工况对泵壳计算截面“比磨损”的影响程度。,当泵的流量符合设计流量时,其计算截面(贾)内壳壁的比磨损饥为八乞,b设二一葫二么乙设Q设t(Y棍一丫水 )趁2 1)式中乙设-一时间t内计算截面泵壳壁的磨摄值fWl-一时间t内通过泵的泥土量;:.Q设设计流量;丫混、丫水一分别为混合流体与水的更威超载工况 时的比磨损为几各:Q超t(Y混一丫水)(22)2.扮O一r。八一V 一一超价O由于混合液在计算截面内的流速实际上固定不变,不受 泵的工况影晌,t内,计算截面内泵壳壁所产生的磨损值也相同。八色;, “血右f5母因此在同等时间(2 3)设一超Q Q 设卜O渺式,(1)、(2)与(3)一可得出乙 超=(2 4),、二、。_一、一_。儿Q设_、。、: ,二: :、今7故j二。也二卜*、蒲
