高性能中浓纸浆泵研制和结构优化摘要：采用计算流体力学CFD对中浓纸浆泵的水力部件进行模拟分析，通过模拟预测泵性能 曲线优化结构，研制了新型的湍流发生器，可以提高效率和杨程关键词：中浓浆泵；计算流体力学；结构优化；湍流发生器1 前言目前，ECF和TCF漂白工艺通常采用中浓氧脱木素、中浓二氧化氯漂白、中浓过氧化氢 漂白、中浓臭氧漂白和高浓过氧化氢漂白，其中中浓漂白技术应用最广泛采用中浓漂白技 术不仅可以减少漂白污染，而且可以节约能源、节省漂白剂用量、减少漂白用水、提高纸浆 白度要推广中浓 TCF 和 ECF 漂白工艺，必须有符合工艺要求的中浓设备众多的中浓设备 中，最重要的是用于输送中浓浆料的中浓浆泵如果没有合适的中浓浆泵完成输送功能，推 广应用新型无氯或少氯漂白将成为不可能纸浆浓度在 5%以下时具有流动性，当浓度达到 7%时，浆液本身已完全失去流动性，纸 浆浓度在 8％－18％称为中浓纸浆由于中浓纸浆中的纤维容易形成网络结构并含有大量空 气，因此中浓浆泵与低浓浆泵的技术和结构原理完全不同按用途分类，中浓浆泵分为低扬程和高扬程，其中用于中浓漂白工艺的属于高扬程中浓 浆泵，低扬程中浓浆泵主要用于中浓磨浆、中浓打浆、中浓脱墨工艺。
国内目前只有个别公司生产高扬程中浓泵，但主要的问题是扬程低，在85m以下，不能 满足中浓漂白工艺的需要，所以国内造纸厂基本从国外进口以国内最常见的年产5-10万吨 规模的纸浆厂为例，其中浓浆泵的扬程必须达到100—140 m所以国内的ECF和TCF漂白 项目多采用进口中浓浆泵，价格高、维护不便、备件价格高是阻碍国内造纸厂采用新型无氯 或少氯漂白工艺的主要原因之一，阻碍了国内制浆漂白技术的发展，也是治理造纸漂白废水 污染的主要障碍之一多年来，国内造纸设备行业对中浓技术进行了长时间的研究，也取得了很多成果，也研 制成功了一些中浓装备例如低扬程的中浓浆泵，但至今未能研制出符合中浓漂白工艺要求的 高扬程高性能中浓泵根据国家造纸产业政策的规定，国内现有的大量纸浆厂近期将要进行 漂白工段技术改造，新上的制浆项目也必须使用 TCF 和 ECF 漂白工艺，市场需要大量的高 扬程高性能中浓泵，因此研制国产的高扬程高性能中浓纸浆泵显得极为迫切本课题的目的是：(1)研制一台高效高扬程离心式中浓纸浆泵，能满足 5 万吨/年制浆生产 线中浓漂白工段(氧脱木素、二氧化氯漂白、过氧化氢漂白)对中浓离心式纸浆泵的性能要 求。
2)改变目前主要依赖进口的现状2 整体结构设计目前，中浓浆泵的总体结构有两种，一种是是湍流发生器与离心叶轮一体结构，也可以 两个零件用螺栓连接，另外一种是两者完全分离的结构两种结构的优缺点比较见表 1结 构图如 1 所示：表 1 两种结构优缺点比较结构制造成本电机效率一体结构简单低2台高分离结构复杂高3台略低(a)分离结构 (b) —体结构图 1 总体结构的比较 通过比较，选择一体化结构，为降低制造成本和备件成本，湍流发生器与离心叶轮分两 件制造3 水力部件的设计和优化计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD),是利用数值方法和计算机对 流体流动进行数值模拟和分析CFD是流体力学除理论、实验之外的另一种主要手段用CFD 分析代替大量的实验，既可以节省大量的人力物力，又可准确直观的模拟水泵的内部流场，设计出性能优化的水泵本课题中 5 万吨/年制浆线中浓浆泵的水力部件计算按相关泵理论进行，并充分考虑了中 浓纸浆的特性在设计完成后还采用 CFD 方法对水力性能进行了模拟，预测和优化改进水力 部件3・1 CFD方法介绍采用CFD方法对泵进行性能预测主要包括：创建几何模型和网格模型；选择合适的数值模型对离散化的单元进行求解；后处理，得到相关数据，根据内部流场和外特性对泵的结构进行改进，并重复数值模拟，不断优化。
本课题叶轮蜗壳设计中通过CFD模拟，消除驼峰, 提高效率和扬程，得到更加理想的结构下图是叶轮和蜗壳的三维模型a)(a)叶轮正叶片造型c)e)( b )叶轮背叶片造型(c) 叶轮水力造型(d) 蜗壳水力造型(e) 水力装配造型图 2 水力部件的三维模型d)网格划分在ICEM软件中进行全部采用四面体非结构化网格定义管路进口设置为速 度进口，蜗壳出口面为压力出口，叶轮与进口管路相交处设置为interface，叶轮出口与蜗壳 进口处的环面也设置为interface，叶轮叶片、前后盖板、蜗壳以及进口管路的其余面均为壁 面定义体的类型，进口管路、叶轮及蜗壳均为液体，指定求解器为FLUENT5/6，最后导出 mesh 文件计算采用 Fluent 商业求解器在 Fluent 中打开生成的 mesh 文件，检查网格，无负体积， 可以进行运算选用粘性模拟采用最广泛的三双方程模型进行湍流计算由于纸浆的流变 特性非常复杂，此处采用水作为输送流体定义边界条件：进口面类型为速度进口，设置其速度为叶轮设计时根据流量所计算的速 度出口面类型为压力出口，计算叶轮的扬程，估算其出口压力进行设置叶轮工作面以及 工作背面设置为旋转的面。
其余面都为默认静止的面进口管路和蜗壳内的液体为静止，默 认即可叶轮内部的液体区域运动方式选择为按照某一参考系运动，运动速度为轴的转动速 度最后用进口速度初始化流场，进行迭代采用上述方法对水力部件进行了三次修改，最后得到一组无驼峰和效率扬程都相对较高 的结构进行制造3.2 叶轮出口宽度和间隙对性能的影响预测叶轮出口宽度对泵的性能影响很大，一般水泵选择较小的出口宽度，但中浓纸浆的纤维 和可压缩特性可能会导致堵塞，所以中浓浆泵通常选择较大的出口宽度，以期得到较大的流 道研究叶轮出口宽度对扬程、效率、轴功率影响，通过比较选择最佳出口宽度此外，叶 轮与泵壳的间隙也非常重要，水泵通常选择很小的间隙，使泵的效率提高但中浓浆泵所输 送的纤维纸浆则要求有较大的间隙，否则可能导致泵堵塞在模拟计算时选择了 4mm 和 7mm 两种间隙通过模拟计算得到各种不同出口宽度和间隙的泵性能曲线，如图所示图 3 不同宽度叶轮扬程 -流量曲线a.7吕 占 丄.3.2.1□ □ 0 o □ o o QAoUBolujaCL口 I | i I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 l0.25 0.50 0.75 1 M 1 .50 1 75 2.03 i.25图 4 不同宽度叶轮效率 -流量曲线对比发现叶轮宽度增加，扬程增加，所需功率也增大，效率降低，但宽度小可能会导致 中浓泵堵塞使生产线停顿。
在工业化大生产的制浆厂，生产线停顿导致的损失是巨大的，远 远大于效率降低所带来的损失所以综合考虑，宁可牺牲效率而选择较大的叶轮出口宽度图 5 叶轮出口宽度 14mm 的预测性能曲线图 7 叶轮出口宽度 21mm 的预测性能曲线同样，模拟计算结果也表明随间隙增加理论上泵的杨程和效率会降低实际上，湍流化 的中浓纸浆仍然有小尺度的浆团存在，随着湍流发生器剪切强度的增加和剪切时间延长，浆 团的尺度才逐渐变小［1］所以小浆团的存在必然要求叶轮和泵壳的间隙加大，较小的间隙可 能会导致堵塞因此实际上中浓浆泵选择的间隙通常在 5-7mm 之间，远远大于水泵通常的 2mm 间隙4 新型湍流发生器研制离心式中浓浆泵的原理是通过高强度剪切使中浓纸浆发生湍流，具有近似于牛顿流体的特性，具有流动性，可实现离心输送，所以中浓浆泵的关键部件之一是湍流发生器运用中浓纸浆的湍流化理论设计了湍流发生器，并试制后在某纸厂中浓泵上成功使用，效果很理想 4.1 结构选择所有的中浓泵的湍流发生器都是采用剪切叶片旋转剪切浆料实现湍流化，传统的中浓纸 浆泵如Kamyr公司、Andritz公司的中浓泵湍流发生器采用直叶片或近似直叶片，同样转子外 径和转速下，直叶片的剪切强度最高，湍流效果最好。
湍流发生器另外一种形式是螺旋叶片型式的剪切叶片，其优点是螺旋叶片还能起到诱导 轮的作用，能提高泵的扬程和效率a)螺旋叶片湍流发生器 (b)直剪切叶片图 8 湍流发生器 经过比较，决定采用螺旋片式湍流发生器4.2 设计计算和研制 湍流发生器的设计计算目地是保证转子的实际转速大于湍流临界转速，计算方法和参数 参照相关文献的研究成果［1］湍流临界转速按式(1)计算1)n =px Re/ d 2 / p cr 1 cr式中：Re —中浓纸浆发生湍流时的临界雷诺数cr卩一中浓纸浆表观粘度1d—剪切转子直径p —纸浆重度表 2 湍流发生器计算结果(浓度 12%)Recr10003000n1crd22cr145mm998 r/min 125mm1344 r/min计算结果表明，使用 4 级电机即可达到湍流效果按照计算结果设计和研制的湍流发生 器如图 9 所示该发生器使用在某中浓泵上效果良好并运行至今图 9 研制的湍流发生器5 结论在研制高性能中浓浆泵中应用现代的计算流体力学对水力部件进行模拟和性能预测，可 以优化结构，以期得到更高的性能由于中浓纸浆的特性，选择某些参数如出口宽度和间隙时不能完全依赖于理论计算，而 需要进行全面的权衡。
应用中浓纸浆湍流化理论研制的湍流发生器使用效果良好参考文献[1]陈奇峰等，中浓制浆流体过程化的数学模拟及临界雷诺数[J].中国造纸，2003 (12)： 148-150。