液壓泥漿泵葉輪設(shè)計(jì)優(yōu)化

液壓泥漿泵XJ-YNB是由液壓馬達(dá)、泵殼體、葉輪、排水口、進(jìn)水口、排水帶等組成。其中對(duì)液壓泥漿泵性能較大的部件為液壓馬達(dá)、泵殼體及葉輪。葉輪最初的設(shè)計(jì)源于水泵在葉片不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，形成內(nèi)部負(fù)壓環(huán)境，從而帶動(dòng)泥泵從進(jìn)水口向排水中流動(dòng)。

液壓泥漿泵內(nèi)部葉輪是由兩個(gè)鋁制葉片、前后蓋板組成一個(gè)完整的泥漿流動(dòng)的空間流場(chǎng)，在流場(chǎng)中，進(jìn)口截面流過(guò)的泥漿量W1與W2的流速是均勻且相等的。即W1=Q1/S=W2=Q2/S。但通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察葉輪同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，看到的泥漿流動(dòng)是與時(shí)間無(wú)關(guān)的定常相對(duì)流動(dòng)。因此，我們要求計(jì)算空間流場(chǎng)中任何一點(diǎn)的相對(duì)速度的大小及方向，是我們對(duì)葉輪進(jìn)行升級(jí)改造的重點(diǎn)。

液壓泥漿泵由液壓馬達(dá)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，將液壓馬達(dá)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楸惠斔土黧w的動(dòng)能和壓力能。通過(guò)應(yīng)用吳仲華教授他立的S1,S2，兩流面理論可以用不同方法求解，一種是流函數(shù)方法，另一種是直接計(jì)算流體流動(dòng)速度的流面迭代法。

在與葉輪同步旋轉(zhuǎn)的空間坐標(biāo)系（R、φ、Z）中，任何空間一點(diǎn)均可由此坐標(biāo)系確定。任何一點(diǎn)的流速W可表示為該點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)W=f（R，φ，Z），這就是三元流的基本概念。計(jì)算流道中任何空間一點(diǎn)的流速W，這就是三元流動(dòng)解法。通過(guò)三元流動(dòng)計(jì)算，可以得到水泵、風(fēng)機(jī)任意點(diǎn)的流速。

三元流設(shè)計(jì)技術(shù)是根據(jù)“三元流動(dòng)理論”將葉輪內(nèi)部的三元立體空間無(wú)限地分割，通過(guò)對(duì)葉輪流道內(nèi)各工作點(diǎn)的分析，建立起完整、真實(shí)的葉輪內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)計(jì)算。運(yùn)用三元流設(shè)計(jì)方法優(yōu)化葉片的進(jìn)出安放角、葉片數(shù)、扭曲葉片各截面形狀等要素，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)流體的真實(shí)流態(tài)，從而避免葉片工作面的流動(dòng)分離，減少流動(dòng)損失，并能控制內(nèi)部全部流體質(zhì)點(diǎn)的速度分布，獲得液壓泥漿泵內(nèi)部的最佳流動(dòng)狀態(tài)，保證流體輸送的效率達(dá)到最佳。

而對(duì)只有兩只葉輪片的液壓泥漿泵的優(yōu)化，可以利用三元流設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，提高工作效率和減少企業(yè)研發(fā)成本。使用瞬態(tài)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算葉輪轉(zhuǎn)速，避免計(jì)算穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置不合理問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著葉輪轉(zhuǎn)角的增加，葉輪中水流速度增加，當(dāng)設(shè)計(jì)在60度轉(zhuǎn)角可達(dá)轉(zhuǎn)速700r/min時(shí)，水流隨葉輪轉(zhuǎn)速呈線性變化；而當(dāng)葉輪片轉(zhuǎn)角固定時(shí)，隨著葉片數(shù)量的增加，水流速度基本保持穩(wěn)定。說(shuō)明水流主要取決于葉輪角度變化而決定。

從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)分析，使用計(jì)算得出的葉輪轉(zhuǎn)速，液壓馬達(dá)在穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)下的功率情況，可知隨著葉輪片轉(zhuǎn)角的增加，液壓泥漿泵葉輪水頭損失與水流速度也隨之增加，但是液壓泥漿泵系統(tǒng)功率損失較大。同時(shí)固定轉(zhuǎn)角條件下，增加葉輪片數(shù)增量對(duì)水頭損失和輸出功率影響更大，當(dāng)葉輪片數(shù)增加，葉片覆蓋面積增加，此時(shí)水流對(duì)葉輪沖擊由于葉片的增加影響減小。

液壓泥漿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，機(jī)殼體各處壓力不盡相同，液壓泵站葉輪尾端100 mm處已經(jīng)穩(wěn)定，但是尾端還有很大一部分區(qū)域易形成空蝕，這種情況下會(huì)造成葉片的磨損和沖擊變形。同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中只計(jì)算了葉輪在液壓馬達(dá)直接動(dòng)力直接輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)情況下葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的水流情況，并未增加傳動(dòng)軸等其他連接設(shè)備對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

因此在進(jìn)行具體葉片設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)加大葉片厚度、使用高性能材料來(lái)加大葉片強(qiáng)度，減小空蝕空化對(duì)葉片造成的影響，同時(shí)在后續(xù)整體排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。