口環間隙對立式多級離心泵水力性能的影響

朱永斌

（上海水泵制造有限公司，上海 201414）

1 理論計算

離心泵的效率主要由水力效率ηh、容積效率ηv和機械效率ηm三個部分構成。本項目主要計算口環對容積效率的影響，利用經驗公式計算和CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）兩種方法計算間隙泄漏量。

1.1 經驗公式計算

式中 λw——摩擦阻力系數

Lf——密封間隙長度，mm

bf——單側密封間隙，mm

通常λw取值范圍為0.04～0.06，本文中Lf為24.7 mm、bf為0.25 mm（單側），則計算可得ξm=3.275～4.264。

泵是比較精密的運行機械，在靜子與轉子時間會有一定的間隙，在運行過程中形成的水膜，起到潤滑和支撐的作用。這個間隙不能過大也不能過小，如果此間隙設計不合理就會影響整體運行穩定性：過小，靜子和轉子摩擦，泵超電流；過大，過流介質會從高壓側流向低壓側，造成能量損失，同時轉子會因為失去水膜支撐而振動。以單級葉輪泵為主體，計算靜子與轉子間隙（即密封環）處的泄流量q，主要分析間隙泄漏量對容積效率的影響。

1.2 理論計算方法

間隙在0.20 mm、0.15 mm 時，對應的口環間隙中徑Rm分別為104.85 mm 和104.83 mm。同理，泄漏量q 分別為4.39 m3/h和2.98 m3/h。各間隙的容積效率對比見表1。

表1 各間隙的容積效率對比

2 CFD 全流場數值計算

本文研究口環間隙對立式泵的性能影響，因此需要對立式泵整個流體區域使用SolidWorks 2017 中抽取流體域，其中泵腔體以及口環間隙六面體網格、葉輪和導葉采用四面體網格。通過CFD 數值模擬技術，可以得到不同間隙下的口環回流量以及口環兩端的壓力損失，從而得到泵的容積效率。另外也可以清晰地看到不同間隙時葉輪進口的流動情況，對抑制小流量葉片前冠回流有一定參考。CFD 數值計算有高效、低成本的特點，能快速驗證理論設計進而大大降低研發成本。

CFD 數值模擬是將一個連續的流體以網格的形式進行離散化、利用各湍流模型對流體進行數值計算。通過數值計算，可以清楚地預測泵內部流動如葉輪流道的局部失速、二次流、回流、射流—尾跡等，對離心泵的高效且穩定運行有重要意義。設計離心泵水力時就應根據CFD 計算結果不斷進行迭代、優化直到消除不穩定流。

目前，單純依靠實驗驗證泵水力模型和設計改進成本較大。實驗測量耗時長、成本高，研發過程中許多問題不能預先評定，因此依靠重復實驗研發和改進較難適應當前泵行業的研發環境。CFD 技術很好地克服了該弱點，是目前旋轉機械行業不可或缺的一個研發手段。CFD 技術的發展將為泵的設計改進和水力研發帶來了一個新的高度，使泵的效率不斷提高，也大大降低了泵的研發周期，提高研發成功率。

通常情況下CFD 流場分析計算路線為：計算模型建模→網格劃分→邊界條件設置→流場分析計算→流場分析后處理→性能評價。

（1）利用SolidWorks 2017 進行水體三維建模。全流場計算域三維模型，從左往右依此為進口段、前蓋板腔體（含葉輪口環水體）、葉輪水體、后蓋板腔體、導葉腔體、次級葉輪前蓋板腔體、次級葉輪水體、后蓋板腔體、出口延長段（圖1）。

圖1 三維建模

（2）利用ICEM-CFD 19.0 劃分全流域網格，其中葉輪采用四面體網格，導葉和間隙采用六面體網格，整體網格質量在0.32以上（圖2）。

圖2 主要網格部分

（3）在ANSYSCFX19.0 中編輯邊界條件（表2）。

表2 性能分析計算邊界條件匯總

檢測情況：

a.葉輪口環靠近進口側總壓監控

P1=massFlowAve（Total Pressure in Stn Frame ）@JIANXI1_OUTLET

b.葉輪口環背離進口側總壓監控

P2=massFlowAve（Total Pressure in Stn Frame ）@JIANXI1_INLET

c.葉輪出口總壓監控

P3=massFlowAve（Total Pressure in Stn Frame ）@ IN_IMPELLER_OUTLET

d.進口總壓監控

P4=massFlowAve（Total Pressure in Stn Frame）@ INLET

e.泄漏量檢測函數

M1=massFlow（）@JIANXI1_INLET

揚程表達式：H=（P3-P4）/9800 Pa，容積效率表達式：η=100*M1/ massFlow（）@INLET。

（4）CFX-POST 中提取計算參數。流道內部速度場分布如圖3 和圖4 所示。

圖3 葉輪前蓋板腔體相對速度場

圖4 不同間隙下的口環速度場

（5）CFD 計算參數提取。間隙分別為0.25 mm、0.20 mm 和0.15 mm 時，間隙泄漏量分別為1.425 86 kg/s、1.222 170 kg/s和0.865 703 kg/s（表3）。

表3 不同間隙下CFD 的計算值

3 結論

綜上所述，采用傳統流體力學理論計算和CFD 技術對間隙三維流場進行數值分析，分別得到0.25 mm、0.2 mm、0.15 mm 三個不同間隙值下單級葉輪口環泄漏量和容積效率。理論分析和數值模擬的結構相互驗證，3 個不同間隙下葉輪的容積效率并沒有發生明顯波動。在考慮加工制造，更好適應于各工況條件下的運行，為增強泵穩定運行，設計口環間隙為0.25 mm 較為合理。