泵腔間隙對低比轉速離心泵性能影響的仿真模擬分析

文/戴貴榮 李永龍 金雪紅 楊軍虎

利用Pumplinx軟件進行數值模擬，分析閉式葉輪泵腔大小對圓盤摩擦損失的影響——用Pumplinx軟件分析閉式葉輪前后蓋板與殼體間空腔體積變化時低比轉速離心泵性能的變化情況，總結泵腔與葉輪外徑的關系，為減少損失，提高泵效率指明方向。

原動機傳到泵軸上的功率（軸功率），首先要消耗一部分去克服軸承和密封裝置的摩擦損失，剩余的軸功率用來帶動葉輪旋轉。但是葉輪旋轉的機械能并沒有全部傳遞給通過葉輪的液體，其中一部分消耗于克服葉輪前、后蓋板表面與殼體間（泵腔）液體的摩擦，這部分損失功率稱為圓盤摩擦損失，圓盤摩擦損失主要由蓋板表面和液體的摩擦及泵腔中液體旋轉形成的環流消耗的功率兩部分組成如圖1。本文旨在利用Pumplinx軟件進行數值模擬，分析閉式葉輪泵腔大小對圓盤摩擦損失的影響。

圖1 泵的截面圖

原理分析

圓盤摩擦損失功率系數K的值，隨圓盤摩擦液體的雷諾數表面粗糙度，泵腔寬 度B和D2之 比（B/D2）而 變化。如圖2是K值和上述參數間的實測值。圖中的曲線A表示Re=1.8×106時，K隨B/D2的變化。當B/D2小時，泵腔內速度梯度增大，摩擦阻力增大，但由環流引起的損失急劇減小。反之當B/D2變大時，盡管摩擦阻力減小，然而由于環流增強，總的圓盤摩擦損失越過最小值之后有再度增加趨勢。

圖2 圓盤摩擦系數K和Re的關系

選取對象

本次研究對象選取本公司化工流程泵ZAx80-2160水力模型進行分析總結如圖3。分析是在保證泵腔各表面粗糙度和口環間隙不變的前提下進行的，通過改變葉輪前后蓋板與泵體側壁（泵腔）的間隙，得到不同的性能數據，做一比較并總結泵腔寬度B和葉輪外徑D2的關系對泵性能的影響。

圖3 泵腔示意圖

模擬分析

流體域包括如圖4所示，有7部分。Pumplinx軟件模擬分析過程如下：

圖4 泵流體域

根據以上流程建模最終劃分網格數1 970 071，節點數471 660；設置入口面屬性internet，邊界條件為壓力0.101325 MPa，出口面屬性outlet，邊界條件為流量 0.02778 m3/s；轉速2 900 r/min，葉輪屬性rotor。本文采用標準的pumplinx內置模型進行計算，為提高計算的準確性，首先設置定常仿真，速度一階格式，待其收斂后，再設置非定常仿真；二階迎風格式，殘差值設定為 le‐4，結果收斂，如圖5、6。

圖5 仿真截面壓力變化云圖

根據每一個泵腔寬度模擬分析得到泵運行的性能數據，所有的仿真結果統計如表1：當泵腔大小在一定范圍內時，泵效率最高，即損失最小；當泵腔間隙減小的時候，泵腔內液體的摩擦阻力增大，但因為蓋板的作用，泵腔內的環流損失減小，性能增加；而當泵腔間隙變大時，盡管摩擦阻力減小，但液體的質量增加，環流增強，功率加大，損失增加。

泵運行的性能數據

總結

1.從以上仿真結果及其分析可達到結論：當泵腔寬度在2.5～7.5時，泵效率最高，即圓盤摩擦損失最小，驗證了文獻《現代泵理論與設計中》提出的B/D2=2%～5%時，圓盤摩擦損失最小的理論。

2.泵腔寬度B減小時，仿真結果顯示揚程和效率均有所增加，這是由于泵腔內速度梯度增大，摩擦阻力增大，但由環流引起的損失急劇減小。

3.泵腔寬度B增加時，由于環流增強，總的圓盤摩擦損失增加，泵效率降低。

總而言之，對于低比轉速離心泵，泵腔間隙的大小對泵性能有一定的影響，其中有一個最佳值，可根據其最佳值設計泵腔大小；另外高比轉速離心泵，間隙的影響相對較小，而且間隙大小的影響的程度也與轉速有關，因此設計過程中要特別注意。 ●