螺旋式泵效环结构参数对泵送性能的影响*

万恣华1 董小杏2 刘明东1 王和顺1 朱维兵1 张车宁 贾红云

(1.西华大学机械工程学院 四川成都 610039；2.成都师范学院物理与工程技术学院 四川成都 611130；3.四川日机密封件股份有限公司 四川成都 610046)

在石油、化工、核能等领域，机械密封因密封性能可靠，维修周期长，维护成本低，使用寿命长，性能参数高而大量使用，它对整台机器设备和整个工厂的安全生产影响非常大[1]。为带走机械密封工作过程中密封端面间相互摩擦产生的摩擦热，以及机械密封旋转件对液体的搅拌作用产生的搅拌热，密封装置的腔体中间常加注封液(缓冲液或隔离液)，用螺旋式泵效环促使封液循环流动，以冷却密封端面，保障密封端面上流体膜的稳定性，并阻止固体颗粒和杂质堵塞在密封腔中，减少磨损和密封零件失效的可能，进而延长机械密封使用寿命。例如，密封冲洗API23方案、52方案、53方案等[2-4]。虽然螺旋式泵效环已成功在工业应用，但关于结构参数对泵送性能的影响研究鲜有报道。

本文作者以某型螺旋式泵效环为研究对象，改变其结构参数，利用Fluent 对泵效环和过渡座之间的内部流场进行数值模拟，并用MATLAB获得泵效环的流量-扬程关系曲线，对泵效环的结构参数对其泵送性能的影响进行研究。

1 螺旋式泵效环几何模型及其网格的生成

1.1 螺旋式泵效环几何模型的建立

螺旋式泵效环泵送原理类似螺杆泵，在泵效环的外表面加工有螺纹，随着泵效环的旋转，其螺纹带动螺纹槽内封液旋转，在惯性作用下，螺纹槽内封液与螺纹槽产生相对运动，促使封液向一侧运动[5-6]。

研究的螺旋式泵效环的外表面加工出12头螺纹，其泵效环长40 mm，外径78 mm，螺旋槽轴向槽宽3.5 mm，螺距5.5 mm，螺纹齿高(槽深)3.5 mm，泵效环外径与过渡座内径间隙为0.5 mm。泵效环的主要工况：流量Q=8 L/min，转速n=3 000 r/min。图1所示为螺旋式泵效环的三维结构图。

图1 螺旋式泵效环三维结构图

1.2 网格的生成

泵效环外表面与过渡座内壁面所构成的空间为流体流动区域，将此区域作为文中的计算区域。为便于分析研究，将计算区域分为动域和静域2部分，如图2、3所示。根据泵效环内部流场流动特性可知，图2所示流域的流体在泵效环螺纹槽内随泵效环旋转而旋转，将其称为动域，图3所示流域的流体相对于动域是静止的，故称其为静域[7]。

图2 动域

通过ICEM对计算区域进行网格划分，对交界处利用Interface进行连接，对计算区域的进口和出口适当做出延伸，以减小在计算过程中进口及出口位置对计算区域的影响[8-9]。计算区域的三维造型及网格的划分如图4所示。

图4 计算区域及网格划分

1.3 网格无关性验证

网格的疏密对数值计算影响很大，文中在流量Q=8 L/min，转速n=3 000 r/min工况下得到的网格数量及计算结果如表1所示。网格进行无关性验证后，网格数量定为221 056。

表1 不同网格数下的计算结果

2 数值计算及结果分析

2.1 边界条件

使用Fluent进行求解，计算模型选用标准k-ε湍流模型，使用标准壁面函数对近壁面区域进行处理，流体材料选用20 ℃的水，其密度为998.2 kg/m3。泵效环进口边界条件设置速度进口，速度由公式：u=Q/A计算得出，其中Q为流量，A是进口截面积，出口边界条件设置自由出流。求解时，动域设置旋转参考系，静域则保持默认值，将与动域接触的所有壁面设定为移动壁面，其他壁面边界条件采用无滑移固定壁面。压力和速度场耦合采用SIMPLIC算法，迭代计算使用二阶迎风差分格式。

2.2 数值模拟

利用Fluent对不同结构参数的螺旋式泵效环转速在3 000 r/min时，流量分别在 2、3、4、5、6、7、8、9 和 10 L/min 9种工况下的内部流场进行数值模拟计算，通过Fluent软件中surfaces Integral表面积分功能，得到泵效环的进口和出口压力，泵效环进出口的压差即为流体的推动力，根据其差值与泵送扬程的关系，得到扬程的计算公式[10]：

(1)

式中：p1和p2分别为泵效环进口和出口压力。

2.3 压力分布

通过Fluent对螺旋式泵效环的内部流场进行数值模拟计算，得到转速在3 000 r/min、流量在8 L/min下泵效环内部流域静压分布云图如图5、6所示。可见，泵效环的静压力分布是沿着螺旋方向即流体流动方向逐渐增大，并且与螺纹槽螺旋方向吻合，在出口区域呈现最大静压力，且压力梯度分布较均匀，这表明螺旋式泵效环产生了泵送效应，具有较强的泵送能力，足以使封液循环流动带走热量以冷却润滑密封装置。在螺旋式泵效环进口端出现部分负压区域，是因为泵效环在旋转时对封液有剪切和挤压作用，使封液进入泵效环的螺纹槽内时速度有一个一定角度的转弯，封液被吸进高速旋转的泵效环螺纹槽内，后进入的封液来不及补充前面封液被吸走时留下的空隙，造成了负压的产生，在螺纹槽入口槽根底部处压力最低。螺旋式泵效环出现负压区的部位容易发生汽蚀现象。由于Fluent压力显示中静压表现为一个相对于操作压力的相对值，文中计算采取的操作压力为1.01×105Pa，此处负压是相对于操作压力1.01×105Pa而言。

图5 泵效环工作表面静压力分布云图

图6 过渡座内表面静压力分布云图

3 泵效环结构参数改变对泵送性能的影响

3.1 螺纹头数对泵送性能的影响

转速设定在3 000 r/min，通过适当改变螺纹头数(螺纹头数分别取8、10、12、14、16)而保持其他参数不变的情况下，对泵送性能进行计算分析。经过Fluent计算并后处理得到泵效环进出口压力，代入扬程计算公式(1)计算出扬程，利用MATLAB得到泵效环流量-扬程曲线[11]，如图7所示。在5种不同螺纹头数下的扬程变化趋势基本保持一致，都是随着流量的增大而减小；随着螺纹头数的增加泵效环扬程变化趋于平缓，且随着螺纹头数的增加泵效环扬程先增加后减小，在10～14头范围内达到最大。在5种不同螺纹头数下，在流量2～5 L/min范围内螺纹头数为10时泵效环扬程最高，在流量5～10 L/min范围内螺纹头数为12时泵效环扬程最高，且螺纹头数为12时泵效环扬程随流量变化更平缓，故在文中条件下泵效环螺纹头数12为该泵效环的最佳值。

图7 不同螺纹头数下泵效环流量-扬程曲线对比

3.2 螺旋槽轴向槽宽对泵送性能的影响

转速设定在3 000 r/min，通过适当改变螺旋槽轴向槽宽(螺旋槽轴向槽宽分别取2、3、3.5、4、5 mm)而保持其他参数不变的情况下，对泵送性能进行计算分析，得到泵效环流量-扬程曲线如图8所示。在5种不同螺旋槽轴向槽宽参数下的扬程变化趋势基本保持一致，都是随着流量的增大而减小；随着螺旋槽轴向槽宽的增加泵效环扬程变化趋于平缓。随着螺旋槽轴向槽宽的增加泵效环扬程先增加后减小，且扬程的变化幅度较明显，即螺旋槽轴向槽宽对泵效环扬程影响比较明显。在5种不同螺旋槽轴向槽宽参数下，在流量2～10 L/min范围内，螺旋槽轴向槽宽为3.5 mm时泵效环扬程最高，故在文中条件下泵效环螺旋槽轴向槽宽3.5 mm为最佳值。

图8 不同轴向槽宽下泵效环流量-扬程曲线对比

3.3 螺旋槽槽深对泵送能力的影响

转速设定在3 000 r/min，通过适当改变螺旋槽槽深(螺旋槽槽深分别取2、3、3.5、4、5 mm)而保持其他参数不变的情况下，对泵送性能进行计算分析，得到泵效环流量-扬程曲线如图9所示。在5种不同螺旋槽槽深参数下的扬程变化趋势基本保持一致，都是随着流量的增大而减小。随着螺旋槽槽深的增加泵效环扬程增加，但增加趋势趋于平缓。在螺纹槽深3.5～5 mm范围内，随着螺旋槽槽深的增加，扬程增加已很小，故在文中条件下泵效环螺纹槽深在3.5～5 mm内取值较合理。

图9 不同槽深下泵效环流量-扬程曲线对比

3.4 间隙对泵送性能的影响

转速设定在3 000 r/min，通过对泵效环外径与过渡座内径之间的间隙进行适当修改而保持其他参数不变的情况下，对泵送性能进行计算分析。图10示出了间隙分别为0.1、0.3、0.5、0.7、1 mm时的泵效环流量-扬程曲线。在5种不同间隙参数下的扬程变化趋势基本保持一致，都是随着流量的增大而减小。在最小流量2 L/min工况下，间隙0.1 mm时扬程为3.40 m，间隙为1 mm时下降到1.01 m；在最大流量10 L/min工况下，间隙0.1 mm时扬程为2.60 m，在间隙达到1 mm时泵效环扬程降到0.69 m，泵送能力基本丧失。

图10 不同间隙下泵效环流量-扬程曲线对比

扬程随间隙变化而变化幅度较明显，即泵效环外径与过渡座内径之间的间隙对泵效环扬程影响比较明显。根据Fluent计算结果，随着间隙的减小进口端负压明显增加，即负压更低，更容易发生汽蚀现象；另外，间隙越小，加工和安装难度越大，更容易受干扰而伤害零件，故在文中条件下泵效环外径与过渡座内径之间的间隙在0.1～0.3 mm内取值较为合理。

3.5 螺旋长度对泵送性能的影响

转速设定在3 000 r/min，通过适当修改螺旋槽的螺旋长度而保持其他参数不变的情况下，对泵送性能进行计算分析。图11示出了螺旋长度分别为30、40、50 mm时泵效环流量-扬程曲线。在3种螺旋槽螺旋长度参数下的扬程变化趋势基本保持一致，都是随着流量的增大而减小，随着螺旋槽螺旋长度的增加泵效环扬程增加。但随着螺旋槽螺旋长度的增加泵效环扬程增加变小，故泵效环螺旋槽螺旋长度应该在有限空间内合理选择最长值。

图11 不同螺旋长度下泵效环流量-扬程曲线对比

4 结论

(1)以某型螺旋式泵效环为研究对象，利用Fluent 对泵效环内部流场进行数值模拟，分析表明螺旋式泵效环产生了泵送效应，具有较强的泵送能力，泵送效果明显。

(2)随着螺纹头数的增加，泵效环扬程先增加后减小；螺旋槽轴向槽宽对螺旋式泵效环泵送能力影响比较明显，随着槽宽的增加，泵效环扬程先增加后减小，扬程的变化幅度较明显；随着螺旋槽槽深的增加，泵效环扬程增加，但增加并不大；随着螺旋槽螺旋长度的增加，泵效环扬程增加，但增加趋势变小。

(3)泵效环外径与过渡座内径之间的间隙对螺旋式泵效环泵送能力有明显的影响，随着间隙的减小，泵效环扬程明显变大。但随着间隙的减小，泵效环在进口端负压明显增加，更容易发生汽蚀现象，且间隙越小，加工和安装难度越大，更容易受到干扰而伤害零件。