高速逆流分離泵結(jié)構(gòu)設計與流體仿真分析

時偉哲

（沈陽理工大學， 遼寧 沈陽 110159）

0 引言

逆流泵從密封結(jié)構(gòu)來講，密封端面的密封性能及其摩擦狀態(tài)決定了密封系統(tǒng)能否在一定的時間內(nèi)保持較低的泄漏率從而達到良好的密封效果，這也是國內(nèi)外學者長期以來一直研究的焦點問題。Mutellip 等建立了潤滑油膜流場的三維模型，并對流場的摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、油膜壓力和密封液體的泄漏量等因素做了數(shù)值計算，深入地研究了各個因素間的相互作用。由于油膜厚度較薄，加上受密封系統(tǒng)隨機因素的影響又較為敏感，試驗與測試技術(shù)達不到要求，所以到現(xiàn)在為止，對密封系統(tǒng)端面間油膜潤滑狀態(tài)的研究仍是一項重要而艱巨的任務。

通常，密封兩側(cè)端面之間油膜壓力的大小及其分布對系統(tǒng)的密封性能及潤滑狀態(tài)有著重要的影響。徐萬福等在流體動力潤滑螺旋槽非接觸機械密封的發(fā)展及應用中設計了潤滑螺旋槽非接觸機械密封，提高了流體泵的密封性[1]；孟劍等在逆流泵送機械密封試驗研究中將逆流泵的密封性進行了密封試驗和改善[2]；程傳慶在機械密封的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展動向中總結(jié)了相應的機械動力密封結(jié)構(gòu)[3]。但終究是針對某種密封形式的某個單一方面而開展的研究[4-5]，并沒有綜合考慮密封端面間摩擦、潤滑和磨損等多種影響因素而全面地揭示密封機理。

1 高速逆流分離泵工作原理分析

高速逆流分離泵通過葉片一側(cè)端面與腔體的一側(cè)平行端面在相對運動時所形成的張力，以及液體與固體接觸時的流體表面張力，將液體中直徑大于縫隙的微量物質(zhì)留在泵體內(nèi)，其他直徑小于縫隙的物質(zhì)沿著腔體管路流出泵外，進而達到對微量物質(zhì)分離與提取的效果。高速逆流分離泵工作原理如圖1 所示。

圖1 高速逆流分離泵工作原理

2 高速逆流分離泵結(jié)構(gòu)設計

高速逆流分離泵采用多個泵體疊加而成，如圖2、圖3 所示，泵體內(nèi)回轉(zhuǎn)軸如圖2 方向順時針旋轉(zhuǎn)，通過銷釘鍵帶動葉輪進行順時針轉(zhuǎn)動。液體從入水口進入泵體，經(jīng)過泵體腔內(nèi)葉片回轉(zhuǎn)，被引到泵體上方進而從出水口流出逆流泵。由于葉輪高速回轉(zhuǎn)，液體被引到高于入水口的高度，所以入水口附近空間氣壓小于外界大氣壓，因此外部液體會被大氣壓壓入腔體內(nèi)，從而進一步被分離提取。

圖2 高速逆流分離泵泵體

圖3 高速逆流分離泵剖切圖

泵體中心向內(nèi)凹，放置葉輪，使葉輪寬度完全小于凹槽深度，以便多個泵體裝配時前一個葉輪與后一個泵體不發(fā)生裝配干涉；回轉(zhuǎn)軸在貫通孔回轉(zhuǎn)通過銷釘鍵連接葉輪，帶動葉輪進行逆時針回轉(zhuǎn)，凹槽兩側(cè)開有兩個孔，下方為注水孔，上方處在凹槽尖端的為出水口，這樣更有利于物質(zhì)的分離與提取；位于四角的孔用于固定，穿過螺栓，用螺母進行固定。如圖4、圖5 所示分別是裝配中的葉片及笛管。

圖4 高速逆流分離泵葉片

圖5 高速逆流分離泵笛管

高速逆流分離泵裝配及剖切如圖6、圖7 所示，首先將泵葉片裝配到泵體中，穿過笛管采用銷將葉片固定，每一個裝配單元最終通過疊加的方式形成完整的裝配機構(gòu)，其中高速逆流分離泵通過笛管帶動葉片進行旋轉(zhuǎn)，將通入的流體以離心的方式提取分離。

圖6 高速逆流分離泵裝配

圖7 高速逆流分離泵剖切

3 高速逆流分離泵流體仿真分析

高速逆流分離泵采用鋁合金材料加工制造，鋁合金材料較輕，物理性能較好，高速旋轉(zhuǎn)時不易使整個泵體發(fā)生變形。在FLUENT 仿真中材料楊氏模量為75 GPa，密度為2.75 g/cm3，泊松比為0.33。其中具體參數(shù)如表1 所示。

表1 鋁合金材料參數(shù)

通入高速逆流分離泵的流體設置為水，其他流體設置可以選擇乙酸乙酯、乙醇、油等材料，本次仿真驗證主要是水的FLUENT 仿真，其中水的具體參數(shù)如表2 所示。

表2 水的參數(shù)

FLUENT 仿真先對仿真部件進行網(wǎng)格劃分，設置固體和流體的材料屬性，最后選擇求解的方式。將流體對工件內(nèi)流道的溫度、壓力、應力和位移變量進行分析，設置好求解模型進行FLUENT 求解即可。網(wǎng)格劃分評判如表3 所示。

本次FLUENT 仿真模型劃分出的網(wǎng)格單元質(zhì)量（Element Quality）平均值為0.761 34，偏度（Skewness）平均值為0.325 48，正交質(zhì)量（Orthogonal Quality）平均值為0.795 81，根據(jù)表3 網(wǎng)格質(zhì)量判斷表判斷，三項指標均處在很好階段，網(wǎng)格質(zhì)量合格。其中網(wǎng)格劃分如圖8 所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

FLUENT 求解過程中流體采用平行于出射口的力，設置入射口、出射口位置，其余位置為管壁。特征角設定為3°，網(wǎng)格最小尺寸設定為0.000 5 m。模型求解算法采用k-epsilon（2eqn），入射口流速設定為50 m/s，出射口壓力設定為0。其中壓力與流速求解云圖如圖9、圖10 所示。

圖9 流體壓力求解云圖

圖10 流體速度求解云圖

從圖9 流體壓力求解云圖中可得最大壓力為2.88×106Pa，從圖10 流體速度求解云圖中可得最大速度在腔體與出射口的連接處，為66.6 m/s。根據(jù)圖9流體壓力分析圖來看，入射口壓力較大，入口材料容易發(fā)生形變，高速逆流分離泵需要注意工件壁厚強度；高速逆流分離泵流體出口壓力較小，流體在流動的過程中壓力呈逐漸降低趨勢。根據(jù)圖10 流體速度求解云圖來看，液體在細口的區(qū)域流速大，在寬闊的區(qū)域流速小，高速逆流分離泵整體結(jié)構(gòu)設計合理，后續(xù)可以改變流體的材料屬性進行相應的流體仿真，整體結(jié)構(gòu)的設計可以進行微小的改動等。

4 結(jié)語

高速逆流分離泵的結(jié)構(gòu)設計上采用的設計方式，解決了流體在泵中的流動特性的問題。逆流泵的密封采用橡膠Y 型密封圈，解決流體在泵內(nèi)的泄漏問題。高速逆流分離泵流體的流入和流出采用深孔錯開的方式進行，減少了流體流速過大造成對葉片的不必要磨損。在高速逆流分離泵整體結(jié)構(gòu)設計的基礎上進行了流體力學仿真，將流體不同速度通入高速逆流分離泵得出了入射口壓力與力變形最大，泵體內(nèi)部壓力逐漸衰減，壁面的形變量逐漸變小。整體結(jié)構(gòu)的高速逆流分離泵設計合理。