張 志
(中天合創(chuàng)能源有限責任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)
離心式水泵作為一種廣泛應用的排水裝置,是目前最常用的井下排水設備,離心泵依靠高速旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)換為液體的動能實現(xiàn)排水,因此對離心泵的工作效率和穩(wěn)定性要求較高[1],離心泵葉輪口環(huán)間隙對離心泵工作時的容積效率影響較大,不同的葉輪口環(huán)間隙對離心泵的工作特性影響極大,多數(shù)科研工作者對離心泵性能的研究主要集中于對葉輪葉片結(jié)構(gòu)的改善,較少涉及間隙研究,因此本文對離心泵葉輪口環(huán)間隙對離心泵工作特性的影響進行研究。
以常用的井下排水泵為分析對象,為確保該分析的準確性,對其進行三維建模時不僅包括離心泵,還包括了進、出水管部分,如圖1、圖2所示。
圖1 葉輪口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 離心泵流體區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖
將三維模型導入到Fluent仿真分析軟件中并對其進行網(wǎng)格劃分,離心泵的殼體及葉片為大曲率不規(guī)則的弧面結(jié)構(gòu),在進行網(wǎng)格劃分時采用Tetra及Mixed結(jié)合的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格劃分,先對泵體的整個流道進行劃分,然后對葉輪口環(huán)間隙的位置加以細化處理,確保在圓弧過渡位置具有相當數(shù)量的網(wǎng)格點,保證計算精度。綜合評估后采用了基于壓力的求解方程對該離心泵進行分析,其求解時的數(shù)學模型可表示為[2]:
式中:Sφ為廣義源代碼;ρ為液體的密度;t為時間數(shù)值;φ為數(shù)學通用因變量;τφ為廣義擴散系數(shù)。
液體在離心泵內(nèi)流動時將做復雜的三維湍流流動,因此需要對液體的湍流流動進行專門分析,以提高數(shù)值分析的準確性,利用RNGk-ε湍流模型作為對泵體內(nèi)的計算方案。在分析時利用離心泵工作時的耗散率和湍流動能為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實現(xiàn)對液壓流動時湍流流量的控制。仿真時離心泵仿真參數(shù)的設置根據(jù)離心泵的實際情況進行,設置流量為55 m3/min,電機轉(zhuǎn)速為2900 r/min,泵的揚程為30m,離心泵的葉輪的最大直徑為167mm,進口位置的直徑為70mm,葉輪的葉片數(shù)量設置為4片,葉輪口環(huán)的原始間隙設置為0.5mm,口環(huán)位置間隙的長設置為16mm。
離心泵在進行工作時會在口環(huán)位置的連接處產(chǎn)生一定流體的泄露,造成離心泵工作效率的降低,影響井下排水工作,為了對不同口環(huán)間隙對離心泵排水效率的影響程度進行精確分析,將離心泵樣機工作時所測得的理論值和不同口環(huán)間隙下得出的離心泵的工作效率進行對比,對口環(huán)間隙對離心泵工作效率的影響程度進行評估,離心泵樣機的口環(huán)間隙為0.5mm,為了對比分析,本文分別選擇了口環(huán)間隙為0.2mm、0.5mm和0.8mm情況下對離心泵的工作效率進行分析,離心泵工作時的效率η計算公式可表示為[3]:
式中:Q為流體在葉輪內(nèi)的水流量;ω為葉輪轉(zhuǎn)速;pin為離心泵進口處的壓力;pout為離心泵出口處的壓力;M為離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)時的輸出扭矩。
離心泵工作時效率的測試值和理論值的分析結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知,離心泵的效率與葉輪口環(huán)的間隙密切相關(guān),當口環(huán)間隙為0.2mm時其效率約為76%,此時實測效率低于理論計算效率,當葉輪口環(huán)的間隙為0.8mm時其效率約為69%,此時的實測效率略微高于理論計算的效率,當葉輪的口環(huán)間隙為0.5mm時,其效率的理論值和模擬值重合度較好。
圖3 不同口環(huán)間隙下離心泵的效率變化曲線
利用Fluent仿真分析軟件對不同口環(huán)間隙情況下離心泵工作時的壓力變化情況進行了分析,分析結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 不同口環(huán)間隙下離心泵的壓力(Pa)云圖
圖5 不同口環(huán)間隙下離心泵的壓力變化曲線
由圖4可知,離心泵口環(huán)間隙的變化對泵進口和出口位置的壓力分布影響顯著,葉輪口環(huán)間隙越大,離心泵在工作時后腔高壓區(qū)的范圍不斷減小,前腔低壓區(qū)的范圍不斷向著蝸殼蝸室的上側(cè)移動,因在蝸殼內(nèi)部沿流體流動方向上的尺寸遠大于垂直于運動方向上的尺寸,因此隨著口環(huán)間隙的變化其在沿流體流動方向上的壓力變化較為顯著,口環(huán)間隙越小氣壓力變化的幅度越大。
由圖5可知,離心泵前腔的壓力逐漸降低,且口環(huán)間隙越大其下降的幅度越大,通過對比當口環(huán)間隙為0.2mm時其流體流動時的靜壓要遠高于0.5mm、0.8mm口環(huán)間隙情況下的液體壓力,離心泵前腔壓力的變化會直接導致流體流動時的徑流情況發(fā)生變化,流體靜壓越高,液體在泵體內(nèi)流動時的液阻越大,在流動過程中的流體的泄漏量就越大。
為了對不同口環(huán)間隙情況下離心泵速度場的變化情況進行分析,引入了葉輪口環(huán)處液體的流速計算公式及壓差下流動的阻力系數(shù)的數(shù)學公式[4]。
式中:Δp為液體在葉輪口環(huán)位置進、出口位置的壓差;l為液體流動的距離;b為口環(huán)間隙寬度;v為口環(huán)間隙處液體的平均速度;λ為壓差流動情況下的阻力系數(shù);μ為液體的動力黏度。
流體在葉輪內(nèi)部流動時在內(nèi)部環(huán)型內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生剪切力,使流體發(fā)生了變形,在流體的內(nèi)部會產(chǎn)生一個向外的擠壓力,因此流體的流動會同時表現(xiàn)出一個沿周向的流動和垂直于徑向的壓力流動,由式(3)、式(4)可知,流體在流動時口環(huán)間隙對速度影響極大,口環(huán)間隙越小氣流動時平均流速越小,阻力系數(shù)顯著增加,由圖6所示的不同口環(huán)間隙下流體的速度分布可知,口環(huán)間隙越大其流速越大,但泄露量會增加。
圖6 不同口環(huán)間隙下離心泵的速度場
針對不同口環(huán)間隙對離心泵工作特性的影響進行了分析,結(jié)果表明,葉輪口環(huán)間隙能顯著影響流體在離心泵內(nèi)的流動狀態(tài),當口環(huán)間隙為0.5mm時能夠確保液體在流動時的壓力、震動和泄漏量的平衡。