（1沈阳耐蚀合金泵股份有限公司；2沈阳市装备制造工程学校 辽宁沈阳 110022）
摘要：离心叶轮的口环泄漏使得从叶轮出口流出的高能量流体与叶轮进口的低能量流体混合，在叶轮进口区域出现了相对紊乱的流动状态，从而影响离心泵的性能。离心叶轮前后可有2个口环间隙，前后口环对离心泵性能影响具有差异性，前口环对泵性能影响较大的是前口环间隙的变化。不同的口环直径对性能的影响各不相同，并且呈现一定的规律，通过对这种规律的研究和认识，可为离心泵的优化设计提供参考。
关键词：叶轮口环间隙；离心泵性能；影响
1叶轮口环间隙结构
叶轮口环间隙对于离心泵的整体性能有着极大的影响，不仅产生了容积损失，而且对其流场内内部流动产生了不小的影响。叶轮口环间隙的尺寸及结构影响着密封的效果，由于加工工艺和复杂程度等因素的限制，现有叶轮口环间隙处的结构大多为圆环形的间隙结构。为了改变口环间隙的尺寸及结构，本文提出了一种梯形的密封结构，在端口处采用渐进式过渡，使出口处间隙减小，间隙简化图如图1所示。
离心泵内部为复杂的三维湍流流动，故还需设置湍流模型，RNGk−ε湍流模型作为RANS方法中的一种形式，通过附加的湍动能k、耗散率ε、比耗散率ω等湍流量进行控制，考虑了湍流漩涡的影响，对强旋流动、脱流、漩涡等复杂流动的计算精度较高，更适用于对离心泵流场的数值模拟。
2.3网格生成及边界条件设置
离心泵叶片、蜗壳等结构扭曲程度较高，网格质量将直接影响计算结果的准确性，非结构化网格对处理复杂问题具有很强的适应性，更适用于复杂模型的数值模拟。因此，本文运用ANSYSICEM软件，采用Tetra/Mixed非结构化混合网格，对离心泵流体域进行分块网格划分，并对口环间隙处进行局部细化，使其内部具有足够的节点，以保证计算精度的要求。网格划分时，首先将口环间隙处的最大网格尺寸设为0.5，口环间隙内部的网格层数为2层；然后逐渐减小最大网格尺寸，当口环间隙处的最大网格尺寸为0.2时，口环间隙内部的网格层数为4层，离心泵流体域的总体计算网格数量在120万~220万范围内发生变化。
为了检验网格划分及口环间隙处网格层数对数值计算结果的影响，分别选定6组不同的网格数进行数值模拟，分析网格的无关性。图2所示为标准工况Q=50m3/h，口环间隙宽度b=0.5mm时，不同网格数量对泄漏量和扬程影响的计算结果。
图2 网格无关性检验
由图2可知，当口环间隙内部网格层数为4，网格总数达到200万以后，随着网格数的增加，设计工况点的泄漏量q和扬程H变化较小，基本趋于稳定。因此在数值计算中，离心泵模型网格数量控制在200万上下波动，口环间隙内部网格层数为4层。
离心泵流场计算域内的流体为不可压缩的牛顿流体，工作过程中流体的性质不发生变化，并且不考虑重力对流场的影响。模型进口为速度入口，出口为自由出流；近壁面采用标准壁面函数，壁面取不渗透、无滑移固体壁面边界条件，采用具有二阶精度的QUICK格式离散，压力修正为SIMPLC算法；计算过程中收敛精度设为1×10−4，外界条件为常温常压，介质为水。在流量Q0分别为0.8Q，1.0Q和1.2Q等工况下，分别对离心泵的内部流动状态进行定常流动数值模拟。
3口环流动特性
口环间隙的改变不仅对离心泵的性能有明显的影响，而且对其他腔体的流动特性也会产生影响。与口环相接的腔体受到口环流动和动力特性的直接影响。
图3 口环圆周截面压力分布
图3为同一直径的口环圆周截面的总压分布，可以看出:当口环间隙增大时，总压分布更加均匀，与前腔相接的部位总压下降，与叶轮进口相接的部位总压上升;当口环间隙为0.25mm时，其内部的结构尺寸微小，受到叶轮旋转面和泵体静止面的影响更大;当口环间隙增大至0.50mm时，相对0.25mm时其内部流动所受泵体面与叶轮面的影响减小，但是在与前腔相接的部位由于几何尺寸变化较大，使得该部位的总压大于口环内部的总压力;当口环间隙增大至0.75mm时，前腔到口环的几何尺寸变化相差不大，使得口环各个部位的压力趋于相同。对于口环的压力分布而言，显然φ=0.25mm更优，它使得由叶轮出口到前腔泄漏的高势能流体流经口环后的能量与叶轮进口流体势能趋于一致，而使叶轮进口的流动受到泄漏流体的影响变小。
图4给出了设计工况下，叶轮口环间隙h分别为0.2mm，0.5mm以及0.8mm时离心泵内部的静压分布情况。从图中可以看出，受到离心泵叶轮口环间隙宽度h的影响，不同口环间隙宽度的离心泵泵腔的静压分布情况是不同的。离心泵叶轮口环间隙宽度h所形成的影响主要反映在前泵腔区域和后泵腔区域。根据图4可以得出，离心泵前泵腔内形成的低压区域随着叶轮口环间隙宽度的增大而不断沿着蜗室方向进行上移，并呈现出扩大迹象，而离心泵后泵腔存在的高压区域的范围则逐渐缩小。因为离心泵泵腔的轴向尺寸和径向尺寸之比比较小，所以泵内部压力分布情况在径向方向的变化更为明显。不难发现，随着离心泵叶轮口环间隙宽度的逐渐减小，离心泵前泵腔的压力梯度愈加明显。
结语
1)口环间隙宽度的变化改变了离心泵前后泵腔的压力分布，口环间隙增大，前泵腔的低压区向蜗室上移、扩大，后泵腔的高压区范围缩小；间隙内部流体的速度随间隙的增大而增加，容积效率下降。2)口环间隙宽度增大到1.5mm的情况下，锯齿形和矩形环状结构叶轮口环均能明显减小泄漏量，最多减少16.2%，不同工况下采用锯齿形叶轮口环时，离心泵的容积效率最高可提升3%。3)在不同结构的口环中，圆形叶轮口环离心泵的轴向力最大，矩形和锯齿形叶轮口环离心泵的轴向力均小于原模型，矩形环状结构口环平衡轴向力的效果最佳，轴向力最大减小10%。4)环状结构叶轮口环改变了离心泵口环间隙内部流体的流动状态，矩形和锯齿形状结构之间的空腔内存在明显的低速区，间隙内部速度梯度、压力梯度增加，实现了增加流体流动阻力的作用，最终导致离心泵口环处泄漏量减小，容积效率提高。
参考文献：
[1]潘中永,陈士星,张大庆,涂琴,李彦军.叶轮口环间隙对离心泵性能影响的模拟和试验[J].流体机械,2012,40(11):10-14.
论文作者:严虹1,周福鹏2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：间隙论文; 叶轮论文; 离心泵论文; 网格论文; 流体论文; 结构论文; 当口论文; 《电力设备》2018年第12期论文;