口环间隙对立式多级离心泵水力性能的影响

朱永斌

（上海水泵制造有限公司，上海 201414）

1 理论计算

离心泵的效率主要由水力效率ηh、容积效率ηv和机械效率ηm三个部分构成。本项目主要计算口环对容积效率的影响，利用经验公式计算和CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）两种方法计算间隙泄漏量。

1.1 经验公式计算

式中 λw——摩擦阻力系数

Lf——密封间隙长度，mm

bf——单侧密封间隙，mm

通常λw取值范围为0.04～0.06，本文中Lf为24.7 mm、bf为0.25 mm（单侧），则计算可得ξm=3.275～4.264。

泵是比较精密的运行机械，在静子与转子时间会有一定的间隙，在运行过程中形成的水膜，起到润滑和支撑的作用。这个间隙不能过大也不能过小，如果此间隙设计不合理就会影响整体运行稳定性：过小，静子和转子摩擦，泵超电流；过大，过流介质会从高压侧流向低压侧，造成能量损失，同时转子会因为失去水膜支撑而振动。以单级叶轮泵为主体，计算静子与转子间隙（即密封环）处的泄流量q，主要分析间隙泄漏量对容积效率的影响。

1.2 理论计算方法

间隙在0.20 mm、0.15 mm 时，对应的口环间隙中径Rm分别为104.85 mm 和104.83 mm。同理，泄漏量q 分别为4.39 m3/h和2.98 m3/h。各间隙的容积效率对比见表1。

表1 各间隙的容积效率对比

2 CFD 全流场数值计算

本文研究口环间隙对立式泵的性能影响，因此需要对立式泵整个流体区域使用SolidWorks 2017 中抽取流体域，其中泵腔体以及口环间隙六面体网格、叶轮和导叶采用四面体网格。通过CFD 数值模拟技术，可以得到不同间隙下的口环回流量以及口环两端的压力损失，从而得到泵的容积效率。另外也可以清晰地看到不同间隙时叶轮进口的流动情况，对抑制小流量叶片前冠回流有一定参考。CFD 数值计算有高效、低成本的特点，能快速验证理论设计进而大大降低研发成本。

CFD 数值模拟是将一个连续的流体以网格的形式进行离散化、利用各湍流模型对流体进行数值计算。通过数值计算，可以清楚地预测泵内部流动如叶轮流道的局部失速、二次流、回流、射流—尾迹等，对离心泵的高效且稳定运行有重要意义。设计离心泵水力时就应根据CFD 计算结果不断进行迭代、优化直到消除不稳定流。

目前，单纯依靠实验验证泵水力模型和设计改进成本较大。实验测量耗时长、成本高，研发过程中许多问题不能预先评定，因此依靠重复实验研发和改进较难适应当前泵行业的研发环境。CFD 技术很好地克服了该弱点，是目前旋转机械行业不可或缺的一个研发手段。CFD 技术的发展将为泵的设计改进和水力研发带来了一个新的高度，使泵的效率不断提高，也大大降低了泵的研发周期，提高研发成功率。

通常情况下CFD 流场分析计算路线为：计算模型建模→网格划分→边界条件设置→流场分析计算→流场分析后处理→性能评价。

（1）利用SolidWorks 2017 进行水体三维建模。全流场计算域三维模型，从左往右依此为进口段、前盖板腔体（含叶轮口环水体）、叶轮水体、后盖板腔体、导叶腔体、次级叶轮前盖板腔体、次级叶轮水体、后盖板腔体、出口延长段（图1）。

图1 三维建模

（2）利用ICEM-CFD 19.0 划分全流域网格，其中叶轮采用四面体网格，导叶和间隙采用六面体网格，整体网格质量在0.32以上（图2）。

图2 主要网格部分

（3）在ANSYSCFX19.0 中编辑边界条件（表2）。

表2 性能分析计算边界条件汇总

检测情况：

a.叶轮口环靠近进口侧总压监控

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

b.叶轮口环背离进口侧总压监控

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

c.叶轮出口总压监控

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

d.进口总压监控

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

e.泄漏量检测函数

M1=massFlow（）@JIANXI1_INLET

扬程表达式：H=（P3-P4）/9800 Pa，容积效率表达式：η=100*M1/ massFlow（）@INLET。

（4）CFX-POST 中提取计算参数。流道内部速度场分布如图3 和图4 所示。

图3 叶轮前盖板腔体相对速度场

图4 不同间隙下的口环速度场

（5）CFD 计算参数提取。间隙分别为0.25 mm、0.20 mm 和0.15 mm 时，间隙泄漏量分别为1.425 86 kg/s、1.222 170 kg/s和0.865 703 kg/s（表3）。

表3 不同间隙下CFD 的计算值

3 结论

综上所述，采用传统流体力学理论计算和CFD 技术对间隙三维流场进行数值分析，分别得到0.25 mm、0.2 mm、0.15 mm 三个不同间隙值下单级叶轮口环泄漏量和容积效率。理论分析和数值模拟的结构相互验证，3 个不同间隙下叶轮的容积效率并没有发生明显波动。在考虑加工制造，更好适应于各工况条件下的运行，为增强泵稳定运行，设计口环间隙为0.25 mm 较为合理。