文/戴貴榮 李永龍 金雪紅 楊軍虎

利用Pumplinx軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析閉式葉輪泵腔大小對(duì)圓盤摩擦損失的影響——用Pumplinx軟件分析閉式葉輪前后蓋板與殼體間空腔體積變化時(shí)低比轉(zhuǎn)速離心泵性能的變化情況，總結(jié)泵腔與葉輪外徑的關(guān)系，為減少損失，提高泵效率指明方向。

原動(dòng)機(jī)傳到泵軸上的功率（軸功率），首先要消耗一部分去克服軸承和密封裝置的摩擦損失，剩余的軸功率用來(lái)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。但是葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能并沒(méi)有全部傳遞給通過(guò)葉輪的液體，其中一部分消耗于克服葉輪前、后蓋板表面與殼體間（泵腔）液體的摩擦，這部分損失功率稱為圓盤摩擦損失，圓盤摩擦損失主要由蓋板表面和液體的摩擦及泵腔中液體旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)流消耗的功率兩部分組成如圖1。本文旨在利用Pumplinx軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析閉式葉輪泵腔大小對(duì)圓盤摩擦損失的影響。

圖1 泵的截面圖

原理分析

圓盤摩擦損失功率系數(shù)K的值，隨圓盤摩擦液體的雷諾數(shù)表面粗糙度，泵腔寬 度B和D2之 比（B/D2）而 變化。如圖2是K值和上述參數(shù)間的實(shí)測(cè)值。圖中的曲線A表示Re=1.8×106時(shí)，K隨B/D2的變化。當(dāng)B/D2小時(shí)，泵腔內(nèi)速度梯度增大，摩擦阻力增大，但由環(huán)流引起的損失急劇減小。反之當(dāng)B/D2變大時(shí)，盡管摩擦阻力減小，然而由于環(huán)流增強(qiáng)，總的圓盤摩擦損失越過(guò)最小值之后有再度增加趨勢(shì)。

圖2 圓盤摩擦系數(shù)K和Re的關(guān)系

選取對(duì)象

本次研究對(duì)象選取本公司化工流程泵ZAx80-2160水力模型進(jìn)行分析總結(jié)如圖3。分析是在保證泵腔各表面粗糙度和口環(huán)間隙不變的前提下進(jìn)行的，通過(guò)改變?nèi)~輪前后蓋板與泵體側(cè)壁（泵腔）的間隙，得到不同的性能數(shù)據(jù)，做一比較并總結(jié)泵腔寬度B和葉輪外徑D2的關(guān)系對(duì)泵性能的影響。

圖3 泵腔示意圖

模擬分析

流體域包括如圖4所示，有7部分。Pumplinx軟件模擬分析過(guò)程如下：

圖4 泵流體域

根據(jù)以上流程建模最終劃分網(wǎng)格數(shù)1 970 071，節(jié)點(diǎn)數(shù)471 660；設(shè)置入口面屬性internet，邊界條件為壓力0.101325 MPa，出口面屬性outlet，邊界條件為流量 0.02778 m3/s；轉(zhuǎn)速2 900 r/min，葉輪屬性rotor。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的pumplinx內(nèi)置模型進(jìn)行計(jì)算，為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，首先設(shè)置定常仿真，速度一階格式，待其收斂后，再設(shè)置非定常仿真；二階迎風(fēng)格式，殘差值設(shè)定為 le‐4，結(jié)果收斂，如圖5、6。

圖5 仿真截面壓力變化云圖

根據(jù)每一個(gè)泵腔寬度模擬分析得到泵運(yùn)行的性能數(shù)據(jù)，所有的仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1：當(dāng)泵腔大小在一定范圍內(nèi)時(shí)，泵效率最高，即損失最??；當(dāng)泵腔間隙減小的時(shí)候，泵腔內(nèi)液體的摩擦阻力增大，但因?yàn)樯w板的作用，泵腔內(nèi)的環(huán)流損失減小，性能增加；而當(dāng)泵腔間隙變大時(shí)，盡管摩擦阻力減小，但液體的質(zhì)量增加，環(huán)流增強(qiáng)，功率加大，損失增加。

泵運(yùn)行的性能數(shù)據(jù)

總結(jié)

1.從以上仿真結(jié)果及其分析可達(dá)到結(jié)論：當(dāng)泵腔寬度在2.5～7.5時(shí)，泵效率最高，即圓盤摩擦損失最小，驗(yàn)證了文獻(xiàn)《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)中》提出的B/D2=2%～5%時(shí)，圓盤摩擦損失最小的理論。

2.泵腔寬度B減小時(shí)，仿真結(jié)果顯示揚(yáng)程和效率均有所增加，這是由于泵腔內(nèi)速度梯度增大，摩擦阻力增大，但由環(huán)流引起的損失急劇減小。

3.泵腔寬度B增加時(shí)，由于環(huán)流增強(qiáng)，總的圓盤摩擦損失增加，泵效率降低。

總而言之，對(duì)于低比轉(zhuǎn)速離心泵，泵腔間隙的大小對(duì)泵性能有一定的影響，其中有一個(gè)最佳值，可根據(jù)其最佳值設(shè)計(jì)泵腔大??；另外高比轉(zhuǎn)速離心泵，間隙的影響相對(duì)較小，而且間隙大小的影響的程度也與轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中要特別注意。 ●