淺談口環(huán)間隙變化對離心泵性能的影響論文
0 引言
口環(huán)間隙密封是離心泵葉輪密封最常用的一種形式，其主要作用是限制葉輪工作室內(nèi)的高壓液體向葉輪進(jìn)口前或葉輪中心的低壓區(qū)泄漏�？诃h(huán)間隙的大小和形狀直接影響到葉輪密封的效果，并且對整機(jī)性能有重要影響。
間隙流動是目前流體機(jī)械研究的熱點(diǎn)問題，其中對于葉頂間隙的研究較多。而有關(guān)口環(huán)間隙對泵性能影響方面的研究很少。迄今為止，有關(guān)口環(huán)間隙對泵性能影響方面的研究很少。對口環(huán)間隙的研究，主要以真機(jī)試驗為主，文獻(xiàn)[5-7]對離心油泵的口環(huán)間隙進(jìn)行了深入研究。由于間隙尺寸較小，網(wǎng)格生成及數(shù)值計算都有一定的困難，故一般的泵數(shù)值試驗經(jīng)常進(jìn)行簡化，不對間隙部分進(jìn)行計算；由于口環(huán)間隙影響著容積損失及圓盤摩擦損失，因此這樣的計算只能采用經(jīng)驗公式對結(jié)果進(jìn)行修正，其可信度下降。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬可以進(jìn)行更大規(guī)模的計算，帶間隙影響的泵數(shù)值模擬已被廣泛接受。本文采用雷諾時均 N-S 方程組和 RNG k-ε 湍流模型對離心泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，以研究口環(huán)間隙變化對離心泵性能的影響。
1 計算模型及網(wǎng)格
研究對象為 IS80-50-220 型離心泵，其葉片數(shù)為 6，比轉(zhuǎn)速為 59； 設(shè)計參數(shù)為：流量 54m3/h，揚(yáng)程 61m，轉(zhuǎn)速 2900rpm。
為了考察不同間隙變化對泵性能的影響，計算模型采用三種方案：同時改變前后口環(huán)間隙尺寸；改變前口環(huán)間隙尺寸，后口環(huán)間隙尺寸保持不變；改變后口環(huán)間隙尺寸，保持前口環(huán)間隙尺寸不變。文中 b 表示前后口環(huán)間隙尺寸同時改變；f 表示只改變前口環(huán)間隙徑向尺寸；h 表示只改變后口環(huán)間隙徑向尺寸。原設(shè)計泵的口環(huán)間隙為 0.15mm，保留泵體上的口環(huán)不動，以減小葉輪上口環(huán)直徑的'方式來增大口環(huán)徑向間隙。口環(huán)徑向間隙尺寸的變化值為 0.25、0.35、0.5。為了進(jìn)行對比，對忽略口環(huán)間隙的模型進(jìn)行了計算，用 b0 表示。
2 數(shù)值方法
基于不可壓縮雷諾時均 N-S 方程組和 RNG k-ε 湍流模型，采用有限體積法對方程進(jìn)行數(shù)值離散；其中擴(kuò)散性采用二階中心差分格式離散，對流項采用二階迎風(fēng)格式離散。k-ε 模型是半經(jīng)驗的湍流模型，它對湍流動能項 k 和?項通過兩個輸運(yùn)方程耦合求解而分別決定湍流速度和湍流尺度。計算采用分離隱式方法，壓力-速度耦合采用 SIMPLEC 算法。
進(jìn)口采用速度邊界條件，根據(jù)不同工況，給定進(jìn)口流動的速度；出口采用充分發(fā)展的出流邊界條件；轉(zhuǎn)子區(qū)域選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其旋轉(zhuǎn)速度為泵轉(zhuǎn)速；近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法進(jìn)行處理。當(dāng)各計算誤差都小于 10-4或者監(jiān)測的出口靜壓基本不變時，認(rèn)為計算已收斂。
3 結(jié)果及分析
針對不同的口環(huán)間隙，分別對 7 個工況點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值計算。通過對計算結(jié)果的處理，得到了泵的外特性曲線以及內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。表 1 為 7 個工況點(diǎn)計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，其中數(shù)值計算結(jié)果沒有進(jìn)行效率修正。由表 1 可以看出，無間隙計算結(jié)果較有間隙計算結(jié)果誤差大；設(shè)計間隙下計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比最大誤差不超過 5%，在可接受的范圍之內(nèi)。
4 結(jié)論
采用三種間隙變化方案對離心泵整機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬；從外特性及內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)兩方面分析了間隙變化對泵整機(jī)性能的影響，得出如下結(jié)論：
① 三種情況下，以前后口環(huán)間隙同時變化對泵的外特性曲線及泄漏量的影響最為顯著，僅前口環(huán)間隙變化時次之，僅后口環(huán)間隙變化時最小，分析認(rèn)為，其中前口環(huán)間隙的變化起主要作用；
�、� 間隙變化的影響主要集中在前后腔體及間隙出口處，其他地方的影響不是很顯著，隨著間隙增大，腔體處低壓區(qū)向蝸室方向擴(kuò)大，而間隙出口處高壓區(qū)也有擴(kuò)大趨勢；
�、� 各種間隙下，葉輪出口都存在著射流-尾流區(qū)域，蝸殼外壁處存在高壓低速區(qū)，蝸舌處存在低壓低速區(qū)。
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