叶轮口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响分析

叶轮口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响分析
摘要本文着重分析前口环间隙对于离心泵性能和间隙内流动特性的影响规律。

对于口环处几何尺寸变化很大的结构，使用结构化网络，通过基于RNG k-? 湍流模型进行泵全流道流场计算和性能预测，并进行泵外特性试验验证。

关键词离心泵；口环间隙；泵外特性
1 计算方法和试验系统
所使用的离心泵主要设计参数分别为流量Qd=55m3/h，扬程H=20m，转速n=1450r/min，叶轮进口直径Ds=80mm，叶轮外径D2=260mm，叶轮出口宽度b2=17mm，蜗壳基圆直径D3=290mm，隔舌安放角?c=25?，蜗壳出口直径D6=80mm，叶片数Z=6，比转数ns=69。

数值计算以Fluent软件平台为基础，使用三维定常不可压雷诺时均N-S方程，并使用RNG k-?湍流模型使方程封闭。

控制方程可直接用在静止部件里的流场计算，转动部件内的流场计算在转动坐标系下参照进行，两者内流场的控制方程形式一样，但速度使用转动参照系下的相对速度，建立离散方程，各控制方程的离散格式都采用一阶迎风格式，速度和压力耦合方式使用SIMPLE算法。

泵外特性试验使用闭式回路系统，模型泵叶轮使用五轴数控加工以确保准确度，主要试验设备包括压力水箱、压力计、电磁流量计、扭矩仪、三相异步电动机。

试验使用多次试验求平均值的方法，以降低试验误差[1]。

2 性能研究
通过定常数值计算和试验，得到三种不同口环间隙下模型泵的扬程和效率曲线，见图一。

由图1可以看出：当口环间隙比较大的时候，由口环泄漏的高能量流体越多，和叶轮进口地方的低能量流体进行混合，会出现更大的能量损失，造成扬程下降。

随着泄漏量的加大，叶轮需做更多的功以确保流向蜗壳的流量不变，消耗更大的轴功率，所以效率随着口环间隙的加大而造成小幅度下降，两者吻合非常好。

当口环间隙是0.50mm的时候，数值计算和试验的结果在不同工况的时候的扬程相差是不同的，在设计工况附近两者的结果比较接近，而在比较小的流量或比较大的流量的时候两者相差比较大。

当口环间隙加大到0.75mm的时候，数值计算和试验的结果比较一致，但是试验扬程在全工况的时候均最小，而计算扬程在大流量工况的时候比别的方案稍大一些，其原因可能在于计算的时候忽略了摩擦损失等因素。

径向力的分布沿叶轮周向呈与叶片数相同的周期性规律，且在叶片出口附近
径向力明显高于流道中间的径向力，口环间隙是0.75mm的时候叶轮所受到的径向力最小，口环间隙是0.50mm的时候叶轮所受到的径向力最大。

3 口环流动特性
口环间隙的改变不仅对离心泵的性能有显著的影响，而且对别的腔体的流动特性也会造成影响，与口环相接的腔体受到口环流动和动力特性的直接影响。

当口环间隙加大的时候，总压分布更加均匀，和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，当口环间隙是0.25mm的时候，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。

当口环间隙加大到0.50mm 的时候，相对0.25mm时其内部流动所受泵体面和叶轮面的影响减小，但是在与前腔相接的部位由于几何尺寸变化较大，使得这个部位的总压大于口环内部的总压力。

当口环间隙加大到0.75mm的时候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来说，?=0.25mm更好，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和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。

对于口环的受力来说，显然?=0.75mm的时候最好，它使叶轮在轴向上的受力更均匀。

?=0.25mm的时候，总压分布使得口环沿轴向受力不均匀，但是因为口环的轴向对称性，使得这一不均衡的受力分布并不会对叶轮产生一个力矩而消耗额外的轴功。

前腔内流体的流动受到口环的影响，呈现不同的流动规律，因前盖板属于转子，而前泵盖静止，两者之间不同位置的流体则出现不同的流动现象。

图2是前腔的徑向速度分布矢量图。

因为前盖板旋转，因此在叶轮出口附近前腔内靠近前盖板的流体的速度是向上的，而靠近前泵盖的流体速度是向下的，这是在于叶轮前盖板所产生的离心力使得进入前腔内的流体速度方向出现变化，越靠近叶轮出口，所受到的离心力就越大。

0.25mm的口环间隙小，使得前腔内的流体速度较低，且前盖板产生的离心力也随之减弱。

0.75mm的口环间隙可以使流体以较大的流量通过口环，在前腔内的流体流速出现了非常有规律的变化，靠近前盖板的流体速度由上到下依次减小，方向依次由向上变为向下，而靠近前泵盖的流体速度则始终向下，大小也没有发生明显变化。

结合口环间隙流动特性以及前腔内的速度矢量分布可知，在?=0.25mm的时候高能量流体经过口环其能量急剧降低，而?=0.50mm的时候高能量流体的变化很小，这样在叶轮进口和来流的低能量流体冲击、混合时，?=0.25mm时会比较平稳，而?=0.75mm时产生较剧烈的碰撞导致在叶轮前盖板一侧产生较大的扰动，使得扬程下降，效率也随之下降。

4 结束语
数值计算的结果和试验结果基本一致，随着口环间隙的加大，设计点的扬程随之降低，口环间隙?=0.75mm的时候，叶轮所受到的径向力最小，?=0.50mm
的时候叶轮所受到的径向力最大。

对于离心泵的扬程、效率和口环压力分布来说，口环间隙?=0.25mm的时候最好。

而对于口环的受力，?=0.75mm时最好。

前腔内流体的流动受到口环和前盖板所产生的离心力的影响，呈现不同的流动规律。

?=0.25mm时的流动速度最小，?=0.75mm时流动速度最大。

随着口环间隙的加大，前腔轴截面上的涡量也随之加大。

参考文献
[1] 高波，王震，杨丽，等.叶轮口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响[J].排灌机械工程学报，2017，35（1）：13-17.。