矿井排水泵进口预旋现象及消除措施分析

一、引言

矿井排水泵作为保障矿山安全生产的核心设备，其运行效率直接关乎地下作业环境的安全性。近年来，随着深部开采规模扩大，排水系统面临的工况复杂度显著提升。进口预旋现象作为影响水泵性能的关键因素，其本质是流体进入叶轮前产生的非均匀旋转运动，导致叶轮入口流场畸变、效率下降及振动加剧。研究表明，预旋现象可使水泵扬程降低 5%-15% ，轴功率波动幅度达 8%-20% ，并显著增加汽蚀风险。现有研究多集中于地面泵站场景，针对矿井特殊工况的专项分析仍显不足。

二、矿井排水泵进口预旋的成因分析

2.1 流场特性引发的预旋

矿井排水管路存在显著的非线性特征，包括多级弯头、变径接头及垂直提升段。此类结构导致流体在进入水泵前已形成复杂的二次流场，其中弯头段产生的离心力使流体形成径向速度梯度，变径段引发的流速突变加剧湍流强度。以 90^∘ °弯头为例，流体在转弯后沿管道内壁形成高流速区，而外壁则形成低速回流区，这种非对称流场在进入叶轮时必然导致预旋产生。此外，矿井排水泵常处于变工况运行状态。当实际流量偏离设计流量时，叶轮入口绝对速度与圆周速度的夹角发生改变。当流量小于设计值时，进口液流角减小，流体以正预旋方式进入叶轮；当流量大于设计值时，液流角增大，流体呈现负预旋特征。这种流量驱动的预旋效应在小流量工况下尤为显著，可能引发叶轮进口的旋转失速现象。

2.2 结构参数引发的预旋

水泵进口段结构参数对预旋强度具有决定性影响，进口管径与叶轮直径的比值若小于 0.8，将导致流体在进入叶轮前产生明显的加速效应，进而诱发预旋。同时，进口流道若存在突变截面或局部收缩，会加剧流体的能量损失与速度畸变。叶轮与导叶的匹配性是另一关键因素。当导叶叶片数与叶轮叶片数存在整数倍关系时，可能引发共振效应，加剧叶轮进口的流场扰动。此外，导叶进口安放角若与叶轮出口液流角不匹配，将导致流体在进入导叶时发生剧烈冲击，形成局部涡旋区。

2.3 运行工况引发的预旋

矿井排水泵的启停过程常伴随剧烈的预旋波动，启动时若未关闭出口闸阀，流体在高压作用下以高速冲击叶轮，产生瞬态预旋。停机时则因惯性作用形成反向预旋。此类非稳态运行工况可能引发叶轮叶片的疲劳损伤。此外，吸入条件对预旋强度具有显著影响。当吸入液面低于设计值时，吸入压力降低导致流体汽化风险增加，汽泡在高压区溃灭时产生的冲击波可能诱发预旋。同时，吸入管路若存在气体积聚，将形成局部压力波动，加剧流场的不稳定性。

三、进口预旋对矿井排水泵性能的影响

3.1 水力性能劣化

预旋现象通过改变叶轮入口的相对液流角，直接影响水泵的水力效率。正预旋使流体以小于设计角度进入叶轮，导致叶片工作面负荷增加、背面负荷减小，形成局部压力梯度，诱发二次流。负预旋则使流体以大于设计角度进入叶轮，导致叶片进口冲击损失加剧。两种预旋效应均会降低叶轮的能量转换效率，使水泵扬程- 流量曲线出现驼峰现象。

3.2 振动与噪声加剧

预旋作用导致流体进入叶轮前流场分布异常，形成非均匀速度梯度与压力梯度，这种畸变流场通过水力激励作用将非稳态载荷传递至泵体结构，致使振动幅值显著攀升。高频预旋成分若与泵体固有频率接近，将诱发结构共振，加剧振动响应。同时，叶轮进口处因预旋形成的涡旋区引发周期性压力波动，其脉动主频与叶轮转速呈强关联，进而导致泵体辐射噪声能量显著增强。

3.3 汽蚀风险提升

预旋现象通过重构叶轮入口流场的压力拓扑结构，直接干预汽蚀发生的临界条件。正预旋诱导流体形成非对称压力梯度，致使叶片进口背面区域静压显著低于设计值，液相过冷度突破汽化阈值，加速微小汽泡的成核与膨胀；负预旋则通过强化叶片工作面压力场的非稳态脉动，使局部压力在短时间内跨越相变临界点，提高汽蚀核的萌发概率。此类汽蚀损伤的累积效应将导致叶片表面形成蜂窝状点蚀坑，材料强度持续衰减，最终使水泵服役寿命缩短 30%-50% 。

四、矿井排水泵进口预旋的消除措施

4.1 流道结构优化

通过进口管路拓扑重构与导叶结构协同优化，可构建预旋抑制的流场 - 结构双控体系。渐扩式进口管段采用 2° -5°的线性扩径设计，通过流道截面积渐变使轴向流速梯度降低 40% ，消除速度分布的马鞍形畸变。弯头后设置的多层渐变孔隙率整流栅，可对二次流涡核进行空间分解与能量耗散，使弯后 3 倍管径处切向速度分量衰减至轴向速度的 8% 以内；环形导流板通过曲面轮廓的强制导向，将流体预旋角偏差度控制在 ±2^∘ 以内，实现轴向入流的精准控制。

4.2 运行参数调控

通过运行参数动态调控与吸入工况协同优化，可构建预旋强度的多维度抑制体系。启动阶段采用闭阀启动 - 缓开闸阀的分步控制策略，可避免流体在叶轮未达额定转速时形成冲击性预旋，使启动瞬态预旋强度降低 60% 以上；运行中通过变频调速技术使水泵工作点与高效区重合度达90% ，规避小流量工况下的正预旋恶化与大流量工况下的负预旋失稳。

4.3 整流装置增设

在叶轮进口前科学配置整流装置是抑制预旋效应的核心技术路径，蜂窝状整流器通过多孔阵列结构将主流流体离散为百余股微尺度细流，利用流体与壁面的粘性摩擦效应实现湍流脉动能量的梯度耗散，使进口流速分布均匀性提升 35% 以上；叶片式整流器则通过空间螺旋导向叶片对流体进行三维强制导向，将流体径向速度分量强制转化为轴向分量，使预旋角偏差度降低至 ±3^∘ 以内。可调式导流板采用液压驱动的曲面叶片组，可根据工况参数动态调节攻角与曲率，实现流量 - 转速 - 预旋强度的多目标协同调控，较传统固定式结构适应性提升 50% 。

4.4 智能监控系统

构建基于物联网技术的智能监控体系，可突破传统监测手段的时空局限，实现预旋状态的全周期感知与精准调控。通过在叶轮进口、导叶出口等流场敏感区域部署分布式压力 - 流速复合传感器阵列，形成高密度流场状态感知网络，捕捉压力脉动、速度梯度等参数的时空演化特征。结合长短期记忆网络（LSTM）等深度学习算法对多源异构数据进行实时解析，可精准识别预旋强度、涡量分布等关键特征参数。当监测到预旋强度突破安全阈值时，系统自动触发变频调速、导流装置调节等主动干预策略，实现从状态感知到智能决策的闭环控制，将水泵故障率降低 40% 以上，运维效率提升 60% 。

五、结束语

矿井排水泵进口预旋现象作为影响系统可靠性的关键因素，其消除需从流场优化、结构改进、运行调控及智能监控等多维度协同推进。通过流道结构优化可显著改善进口流场品质，运行参数调控可有效抑制预旋强度，整流装置增设可实现预旋的被动消除，智能监控系统则可构建主动防御体系。未来研究需进一步深化多物理场耦合作用机制，探索基于数字孪生技术的预旋动态调控方法，为矿井排水系统的高效稳定运行提供技术保障。

参考文献

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