葉輪口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵效率的影響分析

摘 要：葉輪口環(huán)對(duì)離心泵的性能有著重要的影響，口環(huán)間隙直接影響著離心泵的效率。而現(xiàn)有葉輪口環(huán)間隙的尺寸及結(jié)構(gòu)影響著密封的效果，導(dǎo)致離心泵整體性能下降?；诖?，本文提出一種梯形口環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠有效減少水泵工作中的容積損失，提高離心泵的效率。

關(guān)鍵詞：離心泵；葉輪口環(huán)；梯形口環(huán)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）01-0077-02

Analysis of the Influence of the Clearance of Wear-ring on the

Performance of the Centrifugal Pump

XU Tong YU Shenbo

（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： The wear-rings of impeller have great influence to the performance of centrifugal pump， the hydraulic efficiency of the centrifugal pump is directly affected by the clearance of wear-ring. The size and structure of the clearance of wear-ring affects the effect of the seal， which leads to the decrease of the overall performance of the centrifugal pump. Based on this， a trapezoid ring structure was proposed in this paper， which can effectively reduce the volume loss in the pump work， and improve the efficiency of the centrifugal pump.

Keywords： centrifugal pump；clearance of wear-ring；trapezoid ring structure

1 葉輪口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)

葉輪口環(huán)間隙對(duì)于離心泵的整體性能有著極大的影響，不僅產(chǎn)生了容積損失，而且對(duì)其流場(chǎng)內(nèi)內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生了不小的影響。葉輪口環(huán)間隙的尺寸及結(jié)構(gòu)影響著密封的效果，由于加工工藝和復(fù)雜程度等因素的限制，現(xiàn)有葉輪口環(huán)間隙處的結(jié)構(gòu)大多為圓環(huán)形的間隙結(jié)構(gòu)[1-2]。為了改變口環(huán)間隙的尺寸及結(jié)構(gòu)，本文提出了一種梯形的密封結(jié)構(gòu)，在端口處采用漸進(jìn)式過(guò)渡，使出口處間隙減小，間隙簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 梯型口環(huán)間隙圖

2 流體損失

口環(huán)間隙的變化對(duì)離心泵的總效率有著極大的影響，離心泵的效率可以用下式計(jì)算得出：

η=ηh×ηm×ηv （1）

式（1）中，ηh為水力效率，ηm為機(jī)械效率，ηv為容積效率。

2.1 水力效率

水力效率的計(jì)算方法為：

[ηh=1+0.083 51g3Qv/n] （2）

式（2）中，g為重力加速度，Qv為離心泵的實(shí)際流量，n為葉輪轉(zhuǎn)速。實(shí)際工況點(diǎn)的水利效率為：

[ηh=1-0.42/lgD0-0.1722] （3）

式（3）中，D0為葉輪進(jìn)口直徑。

2.2 機(jī)械效率

離心泵的機(jī)械效率大致可以分為2種。一種是葉輪在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下與液體產(chǎn)生的損失，另一種是軸承和軸之間的摩擦損失[3]。其中，泵體軸承中的機(jī)械損失一般根據(jù)泵體總規(guī)格的大小進(jìn)行判斷，泵體越小，機(jī)械損失越少，其值一般為軸功率的1%～3%。

離心泵工作時(shí)，葉輪和液體之間的摩擦損失為：

[ΔPy=CdρgR42ω3（2R2+5B）] （4）

式（4）中，Cd為摩擦系數(shù)，一般取值為0.02；ρ為離心泵內(nèi)液體密度；g為重力加速度；R2為葉輪外徑；ω為角速度；B為葉輪出口寬度。

離心泵的機(jī)械效率可表示為：

ηm=（P-ΔPm）/P=Ph-P （5）

2.3 容積效率

離心泵的容積損失與口環(huán)間隙的大小密切相關(guān)。由于研究對(duì)象為單級(jí)單吸離心泵，對(duì)多級(jí)離心泵的級(jí)間損失不予考慮[4]。

葉輪口環(huán)間隙處泄漏量為：

ηv=Qv/Qvt=Qv/（Qv+q） （6）

式（6）中，Qv為實(shí)際流量，Qvt為理論流量，q為泄漏量，即容積損失為[q=fμ2gΔhmi]。其中，Δhmi為口環(huán)間隙兩側(cè)的壓差值；f為口環(huán)間隙處的過(guò)流面積，f=2πRmib。

3 仿真分析

進(jìn)口流量為40m3/h，對(duì)不同的口環(huán)間隙下離心泵的性能特性進(jìn)行了仿真分析，圖2為口環(huán)間隙在0.3mm的靜壓云圖，圖3為口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)壓力圖。

圖2 Z=0時(shí)0.3mm靜壓云圖

離心泵進(jìn)口處旋轉(zhuǎn)區(qū)域壓力小于蝸殼外圍壓力，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械壓強(qiáng)差的作用，蝸殼處壓力較高，中間區(qū)域壓力較低，隨著口環(huán)間隙的不斷增加，壓強(qiáng)差逐漸降低。

圖4為在2種不同間隙結(jié)構(gòu)下的流量與泄漏量對(duì)比圖。在相同流量的情況下，梯形間隙的泄漏量明顯低于環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此容積效率提高，揚(yáng)程增加，總效率得到了提升。

圖3 梯形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)壓力圖

圖4 2種結(jié)構(gòu)流量與泄漏量對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文提出了一種梯形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)，能夠有效提高離心泵進(jìn)口處的密封性，減少容積損失，使離心泵的整體效率得到提高。通過(guò)運(yùn)用Fluent[5]對(duì)不同口環(huán)間隙下離心泵的性能變化進(jìn)行對(duì)比，并用CFD-post后處理模塊對(duì)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①?gòu)膲毫υ茍D可以看出，由于旋轉(zhuǎn)區(qū)域離心力的作用，離心泵工作中外部蝸殼所受壓力高于腔體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域壓力；②應(yīng)用梯型口環(huán)密封結(jié)構(gòu)，與原來(lái)圓環(huán)形口環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，得出在相同流量情況下，梯形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)的泄露量明顯低于環(huán)形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)，總體效率得到提高。因而在相同間隙情況下，間隙處采取梯形結(jié)構(gòu)密封性能明顯優(yōu)于環(huán)形結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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