朱永斌

（上海水泵制造有限公司，上海 201414）

1 理論計(jì)算

離心泵的效率主要由水力效率ηh、容積效率ηv和機(jī)械效率ηm三個(gè)部分構(gòu)成。本項(xiàng)目主要計(jì)算口環(huán)對(duì)容積效率的影響，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）兩種方法計(jì)算間隙泄漏量。

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

式中 λw——摩擦阻力系數(shù)

Lf——密封間隙長(zhǎng)度，mm

bf——單側(cè)密封間隙，mm

通常λw取值范圍為0.04～0.06，本文中Lf為24.7 mm、bf為0.25 mm（單側(cè)），則計(jì)算可得ξm=3.275～4.264。

泵是比較精密的運(yùn)行機(jī)械，在靜子與轉(zhuǎn)子時(shí)間會(huì)有一定的間隙，在運(yùn)行過(guò)程中形成的水膜，起到潤(rùn)滑和支撐的作用。這個(gè)間隙不能過(guò)大也不能過(guò)小，如果此間隙設(shè)計(jì)不合理就會(huì)影響整體運(yùn)行穩(wěn)定性：過(guò)小，靜子和轉(zhuǎn)子摩擦，泵超電流；過(guò)大，過(guò)流介質(zhì)會(huì)從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，造成能量損失，同時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)因?yàn)槭ニぶ味駝?dòng)。以單級(jí)葉輪泵為主體，計(jì)算靜子與轉(zhuǎn)子間隙（即密封環(huán)）處的泄流量q，主要分析間隙泄漏量對(duì)容積效率的影響。

1.2 理論計(jì)算方法

間隙在0.20 mm、0.15 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的口環(huán)間隙中徑Rm分別為104.85 mm 和104.83 mm。同理，泄漏量q 分別為4.39 m3/h和2.98 m3/h。各間隙的容積效率對(duì)比見表1。

表1 各間隙的容積效率對(duì)比

2 CFD 全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

本文研究口環(huán)間隙對(duì)立式泵的性能影響，因此需要對(duì)立式泵整個(gè)流體區(qū)域使用SolidWorks 2017 中抽取流體域，其中泵腔體以及口環(huán)間隙六面體網(wǎng)格、葉輪和導(dǎo)葉采用四面體網(wǎng)格。通過(guò)CFD 數(shù)值模擬技術(shù)，可以得到不同間隙下的口環(huán)回流量以及口環(huán)兩端的壓力損失，從而得到泵的容積效率。另外也可以清晰地看到不同間隙時(shí)葉輪進(jìn)口的流動(dòng)情況，對(duì)抑制小流量葉片前冠回流有一定參考。CFD 數(shù)值計(jì)算有高效、低成本的特點(diǎn)，能快速驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)進(jìn)而大大降低研發(fā)成本。

CFD 數(shù)值模擬是將一個(gè)連續(xù)的流體以網(wǎng)格的形式進(jìn)行離散化、利用各湍流模型對(duì)流體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以清楚地預(yù)測(cè)泵內(nèi)部流動(dòng)如葉輪流道的局部失速、二次流、回流、射流—尾跡等，對(duì)離心泵的高效且穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。設(shè)計(jì)離心泵水力時(shí)就應(yīng)根據(jù)CFD 計(jì)算結(jié)果不斷進(jìn)行迭代、優(yōu)化直到消除不穩(wěn)定流。

目前，單純依靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證泵水力模型和設(shè)計(jì)改進(jìn)成本較大。實(shí)驗(yàn)測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，研發(fā)過(guò)程中許多問(wèn)題不能預(yù)先評(píng)定，因此依靠重復(fù)實(shí)驗(yàn)研發(fā)和改進(jìn)較難適應(yīng)當(dāng)前泵行業(yè)的研發(fā)環(huán)境。CFD 技術(shù)很好地克服了該弱點(diǎn)，是目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械行業(yè)不可或缺的一個(gè)研發(fā)手段。CFD 技術(shù)的發(fā)展將為泵的設(shè)計(jì)改進(jìn)和水力研發(fā)帶來(lái)了一個(gè)新的高度，使泵的效率不斷提高，也大大降低了泵的研發(fā)周期，提高研發(fā)成功率。

通常情況下CFD 流場(chǎng)分析計(jì)算路線為：計(jì)算模型建?！W(wǎng)格劃分→邊界條件設(shè)置→流場(chǎng)分析計(jì)算→流場(chǎng)分析后處理→性能評(píng)價(jià)。

（1）利用SolidWorks 2017 進(jìn)行水體三維建模。全流場(chǎng)計(jì)算域三維模型，從左往右依此為進(jìn)口段、前蓋板腔體（含葉輪口環(huán)水體）、葉輪水體、后蓋板腔體、導(dǎo)葉腔體、次級(jí)葉輪前蓋板腔體、次級(jí)葉輪水體、后蓋板腔體、出口延長(zhǎng)段（圖1）。

圖1 三維建模

（2）利用ICEM-CFD 19.0 劃分全流域網(wǎng)格，其中葉輪采用四面體網(wǎng)格，導(dǎo)葉和間隙采用六面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格質(zhì)量在0.32以上（圖2）。

圖2 主要網(wǎng)格部分

（3）在ANSYSCFX19.0 中編輯邊界條件（表2）。

表2 性能分析計(jì)算邊界條件匯總

檢測(cè)情況：

a.葉輪口環(huán)靠近進(jìn)口側(cè)總壓監(jiān)控

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

b.葉輪口環(huán)背離進(jìn)口側(cè)總壓監(jiān)控

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

c.葉輪出口總壓監(jiān)控

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

d.進(jìn)口總壓監(jiān)控

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

e.泄漏量檢測(cè)函數(shù)

M1=massFlow（）@JIANXI1_INLET

揚(yáng)程表達(dá)式：H=（P3-P4）/9800 Pa，容積效率表達(dá)式：η=100*M1/ massFlow（）@INLET。

（4）CFX-POST 中提取計(jì)算參數(shù)。流道內(nèi)部速度場(chǎng)分布如圖3 和圖4 所示。

圖3 葉輪前蓋板腔體相對(duì)速度場(chǎng)

圖4 不同間隙下的口環(huán)速度場(chǎng)

（5）CFD 計(jì)算參數(shù)提取。間隙分別為0.25 mm、0.20 mm 和0.15 mm 時(shí)，間隙泄漏量分別為1.425 86 kg/s、1.222 170 kg/s和0.865 703 kg/s（表3）。

表3 不同間隙下CFD 的計(jì)算值

3 結(jié)論

綜上所述，采用傳統(tǒng)流體力學(xué)理論計(jì)算和CFD 技術(shù)對(duì)間隙三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，分別得到0.25 mm、0.2 mm、0.15 mm 三個(gè)不同間隙值下單級(jí)葉輪口環(huán)泄漏量和容積效率。理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)相互驗(yàn)證，3 個(gè)不同間隙下葉輪的容積效率并沒有發(fā)生明顯波動(dòng)。在考慮加工制造，更好適應(yīng)于各工況條件下的運(yùn)行，為增強(qiáng)泵穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)口環(huán)間隙為0.25 mm 較為合理。