離心泵級間間隙數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

泵的泄漏一般主要發(fā)生在葉輪密封環(huán)[1-2]、級間密封環(huán)[3]、平衡軸向力裝置[4-5]等部位。某船為使結(jié)構(gòu)緊湊，將兩泵同軸聯(lián)接。同軸聯(lián)接后的兩泵末級葉輪后泵腔A、B內(nèi)的液體通過隔套內(nèi)環(huán)與軸套外圓形成的徑向間隙發(fā)生了泄漏混合。為避免泵內(nèi)流體通過級間間隙相互摻混，該兩型泵通過在隔套上開孔形成引水管，從而將兩泵的泄漏流引出，其結(jié)構(gòu)見圖1。然而，這會使泵產(chǎn)生較大的容積損失[6]，降低泵的效率。為此，考慮采用數(shù)值模擬的方法計算不同葉輪出口壓力、背壓、轉(zhuǎn)速下級間間隙的泄漏情況，分析影響級間泄漏的影響因素，提出相應的結(jié)構(gòu)改進方案。

圖1 兩泵同軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意

1 確定間隙前壓力

為結(jié)合工程實際，需考慮葉輪出口壓力對級間間隙泄漏量的影響，而計算模型未涉及葉輪部件，因此需要通過理論計算建立出葉輪出口到級間間隙前壓力的關(guān)系。

(1)

可知

(2)

(3)

由此得到間隙前壓力為

(4)

由公式(3)可知，葉輪出口到間隙前的壓降ΔP=P2-Ph與轉(zhuǎn)速、葉輪外徑和軸套外徑有關(guān)，其中，壓降與轉(zhuǎn)速的平方成正比；本文泵A葉輪外徑RA2=255 mm；泵B葉輪外徑RB2=195 mm；軸套外徑Rh=40 mm。由此可求出不同轉(zhuǎn)速下，葉輪出口到間隙前的壓降，見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速下葉輪出口到間隙前的壓降

2 模型建立及邊界條件

2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

建立級間間隙和泄漏流引水管計算模型見圖2。模型級間間隙為b=0.3 mm，總長度L=84.5 mm，泵A側(cè)間隙長度L1=36 mm，泵B側(cè)間隙長度L2=20 mm，見圖3。

圖2 三維模型

圖3 級間間隙幾何尺寸示意

采用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對該物理模型進行網(wǎng)格劃分，當網(wǎng)格數(shù)量大于200萬后，泄漏量的計算結(jié)果變化很小。為提高數(shù)值計算速度，該模型的網(wǎng)格數(shù)量為211萬，網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 計算模型的網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值計算方法及邊界條件

基于不可壓縮雷諾時均N-S方程組和標準k-ε湍流模型，采用有限體積法對方程組進行數(shù)值離散，并采用壓力耦合方程組的半隱式(SIMPLE)算法求解離散方程。進口邊界條件為壓力入口，根據(jù)表1即可得出不同葉輪出口壓力下的間隙前壓力，該間隙前壓力為入口壓力值；出口邊界條件為壓力出口；內(nèi)壁面采用旋轉(zhuǎn)的壁面條件，其旋轉(zhuǎn)速度為泵轉(zhuǎn)速。當計算殘差小于10-5時，認為計算已收斂。

3 結(jié)果分析

3.1 葉輪出口壓力對泄漏量的影響

為了解葉輪出口壓力與級間間隙泄漏量的關(guān)系，設定其他條件不變，只改變泵A(或泵B)葉輪出口壓力，數(shù)值計算級間間隙的泄漏量。當轉(zhuǎn)速為1 250 r/min、泵A葉輪出口壓力為0.54 MPa、背壓為0.35 MPa時，泵B葉輪出口壓力對級間間隙泄漏量的影響見圖5。橫坐標P表示泵A葉輪出口壓力，縱坐標表示間隙的泄漏量。圖5b)是轉(zhuǎn)速為1 250 r/min、泵B葉輪出口壓力為0.89 MPa時，泵A葉輪出口壓力對級間間隙泄漏量的影響曲線。從圖5可以看出，級間間隙的泄漏量隨著泵A/泵B葉輪出口壓力的增大而增大。隨著葉輪出口壓力增大，級間間隙前后的壓差也隨著增大，從而增大了級間間隙的泄漏量。

圖5 葉輪出口壓力對泄漏量的影響

為了分析級間間隙內(nèi)兩股泄漏流體對泄漏量的相互關(guān)系，設定一側(cè)間隙前壓力和背壓不變，通過改變另一側(cè)間隙前壓力來觀察該側(cè)間隙泄漏量的變化情況。圖6a)給出了泵A葉輪出口壓力為0.54 MPa、背壓為0.35 MPa時，泵B葉輪出口壓力對泵A側(cè)間隙泄漏量的影響曲線，圖6b)給出了泵B葉輪出口壓力為0.89 MPa時，泵A葉輪出口壓力對泵B側(cè)間隙泄漏量的影響曲線。從圖6a)中可以看出，在泵A葉輪出口壓力和背壓不變時，隨著泵B葉輪出口壓力的增大，泵A側(cè)間隙泄漏量逐漸變小。分析認為：級間間隙內(nèi)兩股泄漏流體之間會發(fā)生相互影響，雖然泵A側(cè)的壓力與背壓不變，但泵B側(cè)壓力的變化會影響泄漏流混合處的壓力并對泵A側(cè)的泄漏流造成擠壓作用，泵B側(cè)壓力越高，泄漏流混合處壓力也會隨之增大，對泵A側(cè)泄漏流的擠壓作用也就越明顯，從而使泵A側(cè)的泄漏量降低。對比圖6a)和圖6b)發(fā)現(xiàn)，圖6b)中泵B側(cè)間隙泄漏量的變化較小，這是由于泵B側(cè)間隙前壓力較大(葉輪出口壓力為0.89 MPa)，泵A側(cè)的壓力變化(變化范圍0.54～0.94 MPa)對泵B側(cè)泄漏流的擠壓作用較小。

圖6 葉輪出口壓力對單側(cè)間隙泄漏量的影響

3.2 背壓對泄漏量的影響

關(guān)于出口背壓對泄漏量的影響分析見圖7。轉(zhuǎn)速為1 250 r/min時，泵A和泵B葉輪出口壓力均為0.89 MPa。由圖7可知，級間間隙的泄漏量隨著出口背壓的增大而減少。改變?nèi)~輪出口壓力和背壓，都會改變級間間隙前后壓差，從而對級間間隙的泄漏量造成影響。

圖7 背壓對泄漏量的影響

3.3 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

泵A和B葉輪出口壓力均為0.89 MPa、出口背壓為0.3 MPa、不同轉(zhuǎn)速時的級間間隙泄漏量變化見圖8。

圖8 葉輪出口壓力不變時轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

從圖8可以看出，葉輪出口壓力、背壓不變的情況下，級間間隙的泄漏量隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低。由公式(3)可知，在不同轉(zhuǎn)速下葉輪出口到間隙前的壓力降是不同的。也就是說盡管葉輪出口壓力相同，但不同轉(zhuǎn)速下間隙進口處的壓力卻是不同的。

為進一步分析轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響，分析泵A處間隙進口壓力為0.40 MPa、泵B處間隙進口壓力為0.81 MPa、出口背壓為0.35 MPa時，轉(zhuǎn)速對級間間隙泄漏量的影響見圖9。對比圖8、9可以得出：轉(zhuǎn)速主要是通過影響葉輪出口到間隙前的壓力降來影響級間間隙的泄漏量，而轉(zhuǎn)速對級間間隙本身的泄漏量幾乎沒有影響。

圖9 間隙前后壓差不變時轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

4 結(jié)構(gòu)改進措施

為了減小級間間隙的泄漏量，借鑒工程中減小泵密封環(huán)間隙處容積損失的方法[8]，設計齒型密封結(jié)構(gòu)見圖10，齒形槽的幾何尺寸為h=2 mm，s=2 mm。

圖10 齒型密封結(jié)構(gòu)

級間間隙結(jié)構(gòu)改進前后變化見圖11。

圖11 結(jié)構(gòu)改進前后泄漏量的變化

從圖11可以看出，隨著葉輪出口壓力的增大，級間間隙結(jié)構(gòu)改進前后的泄漏量都隨之增大；相同工況下，改進后的齒型密封結(jié)構(gòu)相對于改進前的泄漏量減少了約40%。

為進一步分析齒型密封結(jié)構(gòu)減小間隙泄漏量的機理，給出轉(zhuǎn)速為1 250 r/min、泵A葉輪出口壓力為0.54 MPa、泵B葉輪出口壓力為0.89 MPa時，結(jié)構(gòu)改進前后級間間隙壁面附近處的速度云圖見圖12。

圖12 結(jié)構(gòu)改進前后級間間隙的速度云圖

從圖12可以看出，泄漏流體分別從泵B末級葉輪后泵腔和泵A末級葉輪后泵腔流入到間隙內(nèi)并發(fā)生混合，在與引水管連通的間隙處有條明顯的分界面(速度)；從圖12b)還可以看出，在級間間隙處有一條條明顯的速度降低區(qū)域，這是由于齒型結(jié)構(gòu)增加了該區(qū)域內(nèi)的截面積，使其速度降低。

對比圖12a)b)發(fā)現(xiàn)，齒型結(jié)構(gòu)內(nèi)泄漏流的流速明顯小于結(jié)構(gòu)改進前的流速。

相同工況下，結(jié)構(gòu)改進前后級間間隙X=0截面處的流線見圖13。

圖13 結(jié)構(gòu)改進前后級間間隙的流線

從圖13可以看出，流體在齒形間隙的齒形槽內(nèi)形成較大的液流漩渦，增大了泄漏流體的能量耗散。分析認為，齒形密封在結(jié)構(gòu)上每增加一個齒形槽，都會增大一個進口局部阻力系數(shù)和出口局部阻力系數(shù)，從而增大了流體流過整個級間間隙的阻力系數(shù)，減小了泄漏流的流速，進而減少級間間隙的泄漏量。

5 結(jié)論

1)離心泵葉輪出口到級間間隙前的壓降與轉(zhuǎn)速、葉輪外徑和軸套外徑有關(guān)，而壓降與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

2)離心泵葉輪出口壓力和背壓主要通過改變間隙前后壓差來影響間隙泄漏量，間隙前后壓差越大，泄漏量越大；轉(zhuǎn)速主要是通過影響葉輪出口到間隙前的壓力降來影響級間間隙的泄漏量，而轉(zhuǎn)速對級間間隙本身的泄漏量幾乎沒有影響。

3)級間間隙結(jié)構(gòu)改進后的齒型密封結(jié)構(gòu)，能有效改善級間間隙的泄漏情況，數(shù)值計算結(jié)果表明，改進后的級間間隙泄漏量降低了約40%。