口环间隙变化对离心泵性能的影响研究

第33卷第5期水力发电学报Vol.33No.52014年10月JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGOct.,2014收稿日期：2013-01-25基金项目：国家自然科学基金项目（51269011）；甘肃省自然科学基金（1208RJYA023）；湖北省教育厅重点项目(D20092501)作者简介：赵伟国（1979-），男，副教授.E-mail:zhaowg@zju.edu.cn口环间隙变化对离心泵性能的影响研究赵伟国1，邬国秀2，黎义斌1，王秀勇1(1.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州730050；2.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳441003）摘要：基于雷诺时均N-S方程组和RNGk-ε湍流模型，采用三种口环间隙变化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对离心泵进行了数值模拟：只改变前口环间隙，只改变后口环间隙，同时改变前后口环间隙；与试验结果的对比 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，计算结果与试验结果吻合良好，在可接受的误差范围内；三种间隙变化方案中，以前口环间隙的改变对离心泵性能的影响最大。口环间隙的改变不仅会对离心泵的容积损失产生影响，而且会影响离心泵的外特性。从流场结构看，间隙变化的影响主要集中在前后腔体及间隙出口处；随着间隙增大，腔体处低压区向蜗室方向扩大，而间隙出口处高压区也有扩大趋势。由间隙增大导致的泵进口压力升高，在大流量工况下可以提高泵的空化性能。关键词：离心泵；口环；间隙；CFD；RNGk-ε湍流模型中图分类号：TH311文献标识码：AStudyoneffectsofwear-ringsclearancemodificationsonperformanceofcentrifugalpumpZHAOWeiguo1，WUGuoxiu2，LIYibing1，WANGXiuyong1（1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050;2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HubeiUniversityofartsandscience,Xiangyang,Hubei441003）Abstract：BasedontheReynoldstime-averagedN-SequationsandaRNGk-εturbulencemodel,acentrifugalpumpwassimulatedforthreeschemesofwear-ringsclearancemodification,i.e.onlyfrontwear-ringclearancemodified,onlyrearwear-ringclearancemodified,andbothclearancesmodified.Comparisonshowsagoodagreementofthenumericalresultswithexperiments.Amongthethreeschemes,thefrontclearancechangehasthemostsignificantinfluenceontheperformanceofcentrifugalpump.Achangeinwear-ringclearancesnotonlyhasaneffectonvolumetricloss,butonpumpperformance.Aflowstructureanalysisshowsthatthemodificationeffectsmanifestinthefrontandrearchambers,alsointheoutletofclearances,whileinsignificantinothersectionsofthepump.Astheclearancewidens,alowpressureareainthechambertendstoexpandtowardthevoluteandahigh-pressurezoneneartheclearanceoutlethasatendencytoexpandtowardtheimpellerinlet.Thisfurthercausesanincreaseinstaticpressureatthepumpinletandaconsequentimprovementonthecavitationperformanceofthepumpinhighflowconditions.Keywords：centrifugalpump;wear-ring;clearance;centrifugalpump;CFD；RNGk-εturbulencemodel0引言口环间隙密封是离心泵叶轮密封最常用的一种形式，其主要作用是限制叶轮工作室内的高压液体向叶轮进口前或叶轮中心的低压区泄漏。口环间隙的大小和形状直接影响到叶轮密封的效果，并且对整机性能有重要影响[1]。间隙流动是目前流体机械研究的热点问题，其中对于叶顶间隙的研究较多[2-4]。而有关口环间隙对泵性能影响方面的研究很少。迄今为止，有关口环间隙对泵性能影响方面的研究很少。对口环间隙的研究，主要以真机试验为主，文献[5-7]对离心油泵的口环间隙进行了深入研究。由于间隙尺寸较小，网格生成及数212水力发电学报2014年值计算都有一定的困难，故一般的泵数值试验经常进行简化，不对间隙部分进行计算；由于口环间隙影响着容积损失及圆盘摩擦损失，因此这样的计算只能采用经验公式对结果进行修正[8,9]，其可信度下降。随着计算技术的发展，数值模拟可以进行更大规模的计算，带间隙影响的泵数值模拟已被广泛接受。本文采用雷诺时均N-S方程组和RNGk-ε湍流模型对离心泵进行了数值模拟，以研究口环间隙变化对离心泵性能的影响。1计算模型及网格研究对象为IS80-50-220型离心泵，其叶片数为6，比转速为59；设计参数为：流量54m3/h，扬程61m，转速2900rpm。为了考察不同间隙变化对泵性能的影响，计算模型采用三种方案：同时改变前后口环间隙尺寸；改变前口环间隙尺寸，后口环间隙尺寸保持不变；改变后口环间隙尺寸，保持前口环间隙尺寸不变。文中b表示前后口环间隙尺寸同时改变；f表示只改变前口环间隙径向尺寸；h表示只改变后口环间隙径向尺寸。原设计泵的口环间隙为0.15mm，保留泵体上的口环不动，以减小叶轮上口环直径的方式来增大口环径向间隙。口环径向间隙尺寸的变化值为0.25、0.35、0.5。为了进行对比，对忽略口环间隙的模型进行了计算，用b0表示。采用六面体与四面体相结合的网格划分 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ：泵吸入管与排出管采用六面体网格；间隙部分由于尺寸较小，轴向与径向尺寸比较大，必须采用结构化六面体网格进行划分；叶轮及蜗壳，采用四面体非结构化网格。计算模型及网格如图1（a）所示，网格总数为120~140万；图1（b）为口环间隙处网格。图1计算模型及网格Fig.1Computationalmodelandmesh2数值方法基于不可压缩雷诺时均N-S方程组和RNGk-ε湍流模型，采用有限体积法对方程进行数值离散；其中扩散性采用二阶中心差分格式离散，对流项采用二阶迎风格式离散。k-ε模型是半经验的湍流模型，它对湍流动能项k和项通过两个输运方程耦合求解而分别决定湍流速度和湍流尺度[10]。计算采用分离隐式方法，压力-速度耦合采用SIMPLEC算法。进口采用速度边界条件，根据不同工况，给定进口流动的速度；出口采用充分发展的出流边界条件；转子区域选用旋转坐标系，其旋转速度为泵转速；近壁区采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 壁面函数方法进行处理。当各计算误差都小于10-4或者监测的出口静压基本不变时，认为计算已收敛。3结果及分析针对不同的口环间隙，分别对7个工况点进行了数值计算。通过对计算结果的处理，得到了泵的外特性曲线以及内部流场结构。表1为7个工况点计算结果与试验结果的对比，其中数值计算结果没有进行效率修正。由表1可以看出，无间隙计算结果较有间隙计算结果误差大；设计间隙下计算结果与试验结果相比最大误差不超过5%，在可接受的范围之内。3.1外特性分析图2、3、4分别为不同间隙变化方案下泵的扬程、功率、效率特性曲线。从图中可以看出，随着间隙第5期赵伟国，等：口环间隙变化对离心泵性能的影响研究213增大，泵的扬程和效率均有所下降，功率均有所上升，其中相同工况点下扬程的最大变化值达到1.54m，功率的最大变化值达到0.67kw，效率的最大变化值达到5.2％；而以前后口环间隙同时变化及前口环间隙变化而后口环间隙不变时泵性能的变化最为显著。表1计算与试验结果对比Table1ComparisonbetweencomputationandexperimentQ/Q0H/mP/kWη/%Exp.b0.15b0Exp.b0.15b0Exp.b0.15b00.664.265.8965.7110.6610.369.2452.054.3761.400.863.065.6765.8011.5211.8210.4963.063.9872.211.061.063.9765.3213.3013.8712.4766.066.3975.381.160.063.0265.1213.7714.4513.4969.067.8176.431.259.061.9464.2614.6615.3814.4369.568.4976.911.358.060.4162.8315.5116.2815.3270.068.7276.761.457.058.9861.0916.6517.2416.1669.068.9376.20图2不同方案下扬程变化曲线Fig.2Headcurveindifferentschemes图3不同方案下功率变化曲线Fig.3Powercurveindifferentschemes图5为设计工况下间隙对泵的外特性影响曲线。从图中可以看出，随着间隙增大，前后口环间隙同时变化及仅前口环间隙变化时设计工况点的扬程下降较多，且仅前口环间隙变化时扬程随间隙增大的下降速度较快，而仅后口环间隙变化时扬程的下降较为平稳且下降不多；随着间隙增大，前后口环间隙同时变化及仅前口环间隙变化时设计工况点的功率升高较多，且仅前口环间隙变化时扬程随间隙增大的升高速度较快，而仅后口环间隙变化时扬程的升高较为平稳且升高不多；随着间隙增大，前后口环间隙同时变化及仅前口环间隙变化时设计工况点的功率下降较多，前后口环间隙同时变化时泵的效率下降最多且下降速度较快，而仅后口环间隙变化时扬程的下降较为平稳且当间隙从0.35mm~0.5mm变化时效率的变化不大。综合以上的分析可以看出，前后口环间隙同时变化时对泵性能的影响最大，仅前口环间隙变化时的影214水力发电学报2014年响次之，仅后口环间隙变化对泵性能的影响最小；由于前后口环间隙同时变化包含了前口环间隙的变化，因此，可以推断起主要作用的仍然是前口环间隙的变化，即对泵性能影响最大的是前口环间隙的变化。图4不同方案下效率变化曲线Fig.4Efficiencycurveindifferentschemes图5设计工况下外特性曲线Fig.5Externalcharacteristicscurvesindesigncondition3.2流动分析为了考察间隙内部流动对泵内部流动的影响，这里取x=0面z=0面作为研究对象。由于计算工况点有50个，数量太多，这里仅分析设计工况下仅前口环间隙变化时的流场情况。图6为设计工况下不同间隙时x=0截面上的静压分布图。从图中可以看出，叶轮内部的压力分布随间隙变化不是很大，间隙变化的影响主要表现在前腔和后腔处：当前后口环间隙同时变化时，前腔和后腔的压力都有所降低，并随着间隙增大，低压区向蜗室方向扩大；当前口环间隙变化后口环间隙保持不变时，间隙变化的影响主要表现在前腔，随着间隙扩大，前腔的低压区向蜗室方向扩大；当后口环间隙变化前口环间隙保持不变时，间隙变化的影响主要表现在后腔，随着间隙扩大，后腔的低压区向蜗室方向扩大。图7为设计工况下z=0面的静压分布图。从图上可以发现，从叶片进口到出口，随着间隙变大，进口区压力升高，出口区域压力降低，由此可知间隙增大时扬程降低；另一方面，泵进口压力升高，在大流量工况下可以提高泵的空化性能。图6设计工况下不同间隙时x＝0截面上的静压分布图（P/Pa）Fig.6Pressuredistributiononsectionx=0indesignconditionwithdifferentwear-ringclearances(a-d)第5期赵伟国，等：口环间隙变化对离心泵性能的影响研究215图7设计工况下z＝0面静压分布图（P/Pa）Fig.7Pressuredistributiononsectionz=0indesignconditionwithdifferentwear-ringclearances(a-d)4结论采用三种间隙变化方案对离心泵整机进行了数值模拟；从外特性及内部流场结构两方面分析了间隙变化对泵整机性能的影响，得出如下结论：①三种情况下，以前后口环间隙同时变化对泵的外特性曲线及泄漏量的影响最为显著，仅前口环间隙变化时次之，仅后口环间隙变化时最小，分析认为，其中前口环间隙的变化起主要作用；②间隙变化的影响主要集中在前后腔体及间隙出口处，其他地方的影响不是很显著，随着间隙增大，腔体处低压区向蜗室方向扩大，而间隙出口处高压区也有扩大趋势；③各种间隙下，叶轮出口都存在着射流-尾流区域，蜗壳外壁处存在高压低速区，蜗舌处存在低压低速区。参考文献：[1]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011.GUANXingfan.ModernPumpsTheoryandDesign[M].Beijing:ChinaAstronauticsPress,2011.(inChinese)[2]张楚华，王宝潼，栾辉宝，等.叶顶间隙对离心叶轮气动性能影响研究[J].流体机械，2006，34(12)：13-16.ZHANGChuhua,WANGBaotong,LUANHuibao,etal.Studyoninfluenceoftipclearanceonaerodynamicperformanceofcentrifugalimpeller[J].FluidMachinery.2006,34(12):13-16.(inChinese)[3]李仁年，韩伟，李琪飞，等.间隙对螺旋离心泵性能影响的预测及试验[J].农业机械学报，2007，38(6)：79-81.LIRennian,HANWei,LIQifei,etal.Predictionandexperimentabouttheeffectofclearanceonperformanceofscrewcentrifugalpump[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(6):79-81.(inChinese)[4]韩小林.叶轮径向间隙对喷水推进轴流泵性能的影响[J].江苏船舶,2008，25(1)：5-8.HANXiaolin.Affectonwater-jetpropulsionaxialflowpumpperformanceofimpellerradialclearance[J].JiangsuShip,2008,25(1):5-8.(inChinese)[5]李文广，费振桃，蔡永雄.离心油泵叶轮口环间隙对性能的影响[J].水泵技术，2004，(5)：7-13.LIWenguang,FEIZhentao,CAIYongxiong.Effectoftheclearanceofwear-ringsontheperformanceofcentrifugaloilpump[J].PumpTechnology,2004,(5):7-13.(inChinese)[6]陈鱼，费振桃，蔡永雄，等.输送清水时口环间隙对离心油泵性能的影响[J].流体机械，2006,34(1):1-5.CHENYu,FEIZhentao,CAIYongxiong,etal.Effectoftheclearanceofwear-ringsontheperformanceofcentrifugaloilpumpwhilehandlingwater[J].FluidMachinery.2006,34(1):1-5.(inChinese)[7]王洋，张翔.叶轮口环间隙对低比速离心泵效率的影响[J].排灌机械,2008,26(6):27-30.WANGYang,ZHANGXiang.Effectofclearanceofimpellerwear-ringsonefficiencyoflowspecificspeedcentrifugalpump[J].DrainageandIrrigationMachinery[J].2008,26(6):27-30.(inChinese)[8]王勇，,刘厚林，袁寿其，等.离心泵空化流动的CFD模拟[J].排灌机械，2011,29(2):99-103.WANGYong,LIUHoulin,YUANZhanting,etal.CFDsimulationoncavitationcharacteristicsincentrifugalpump[J].JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineering.2011,29(2):99-103.(inChinese)[9]沙玉俊,刘树红,吴玉林,等.平衡孔对高温高压离心泵性能的影响研究[J].水力发电学报，2012，31(6):259-264.SHAYujun,LIUShuhong,WUYulin,etal.Influenceofbalancingholesonperformancesofthehigh-temperatureandhigh-pressurecentrifugalpump[J].JournalofHydroelectricEngineering,2012,31(6):259-264.（inChinese）[10]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.TAOWenquan.NumericalHeatTransfer[M].Xi’an:Xi'anJiaotongUniversityPress,2001.（inChinese）