利用離心泵理論，對一種機(jī)械密封用錐形葉片式泵效環(huán)的性能進(jìn)行理論分析，并利用CFD軟件對泵效環(huán)的性能進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得泵效環(huán)鄰域流場的壓力分布，給出泵效環(huán)泵送能力的理論分析表達(dá)式即揚(yáng)程表達(dá)式，分析泵效環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)和葉片數(shù)對其泵送能力的影響。理論分析結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，確認(rèn)模型的合理性。隨著泵效環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)和葉片數(shù)的增加，其泵送能力相應(yīng)增加，但是隨著葉片數(shù)的增加，空化空蝕現(xiàn)象會更易發(fā)生。

　　在過程工業(yè)中，為了防止流體泄漏，絕大部分輸送液體介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備采用機(jī)械密封。在目前的機(jī)械密封技術(shù)中，一種阻止泄漏的最有效方式是采用雙端面機(jī)械密封，它在兩個密封端面的腔體中間，加注了隔離液或緩沖液(以下簡稱封液)，用于潤滑和冷卻密封端面，從而延長機(jī)械密封使用壽命。封液在機(jī)械密封系統(tǒng)里循環(huán)流動以達(dá)到冷卻潤滑的目的，目前使封液循環(huán)流動的裝置有3種：外置泵送裝置、封液熱對流虹吸系統(tǒng)和內(nèi)置泵送裝置(泵效環(huán))。外置泵送裝置即在系統(tǒng)管路中加循環(huán)泵，這種方式涉及耐壓、密封和防爆等問題，運(yùn)行成本高，能耗大，一般不采用這種方式。而單純的熱對流系統(tǒng)虹吸系統(tǒng)，需要一定的溫差才能實現(xiàn)循環(huán)，循環(huán)速度慢，其循環(huán)效果及散熱效果不是很理想。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為合理設(shè)計的內(nèi)置泵效環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，循環(huán)效果明顯，是目前廣泛使用的封液循環(huán)裝置。

　　目前常用的泵效環(huán)有離心式和螺旋式2種。離心式泵送環(huán)工作機(jī)制類似離心泵。螺旋式泵送環(huán)在旋轉(zhuǎn)時，其上的螺紋帶動槽內(nèi)的介質(zhì)轉(zhuǎn)動，由于慣性的作用，使螺紋槽與槽內(nèi)介質(zhì)形成相對運(yùn)動，促使封液向一定方向運(yùn)動。

　　本文作者以一種錐形葉片式泵效環(huán)為研究對象，利用CFD軟件Fluent對泵效環(huán)鄰域流場進(jìn)行模擬計算，分析泵效環(huán)的泵送能力，并與理論結(jié)果進(jìn)行對比。

1、泵效環(huán)作用原理及幾何模型

　　1.1、泵效環(huán)作用原理

　　帶有錐形泵效環(huán)的雙端面機(jī)械密封系統(tǒng)如圖1所示。其泵效環(huán)為錐形葉片式結(jié)構(gòu)，安裝在旋轉(zhuǎn)件上，隨機(jī)械密封動環(huán)的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，帶動封液循環(huán)流動。

圖1 帶有泵效環(huán)的雙端面機(jī)械密封

　　所研究的泵效環(huán)有一定的錐角，由一系列的直葉片置于錐體的外側(cè)，葉片與葉片之間的槽區(qū)相當(dāng)于葉輪流道，如圖2所示。封液從泵效環(huán)的小端入口進(jìn)入，機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)，則泵效環(huán)隨之旋轉(zhuǎn)，根據(jù)離心泵的工作原理，2個葉片之間的液體受到離心力的作用被甩出，葉片的轉(zhuǎn)動增加了液體的推力。

圖2 泵效環(huán)端面幾何結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2、幾何模型及其網(wǎng)格的生成

　　所研究的泵效環(huán)基于離心泵原理，主要的設(shè)計參數(shù)為：流量Q=6L/min，轉(zhuǎn)速n=3000r/min，揚(yáng)程H=1.53m，葉片為等厚度，直葉片形式，葉片數(shù)為12，泵效環(huán)外徑與密封腔內(nèi)徑間隙為1.5mm。為了防止在網(wǎng)格劃分過程中，整體網(wǎng)格質(zhì)量不高而導(dǎo)致的數(shù)值計算結(jié)果精度不高甚至錯誤的現(xiàn)象，選擇整個流動區(qū)域的1/12作為計算區(qū)域。

　　計算網(wǎng)格的劃分采用GAMBIT軟件，應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對整個計算區(qū)域進(jìn)行劃分。為了減小在計算過程中進(jìn)口及出口位置對計算區(qū)域的影響，計算區(qū)域的進(jìn)口和出口適當(dāng)作了一定的延伸。計算區(qū)域的三維造型及網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

圖3 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

　　1.3、邊界條件

　　計算采用FLUENT軟件，選擇k-ε湍流模型，以水作為流體材料，進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口采用壓力出口邊界條件。設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考系，將流體流動區(qū)域設(shè)置為轉(zhuǎn)動參考系，將泵效環(huán)表面和密封腔內(nèi)壁面設(shè)置為移動壁面，其他壁面采用無滑移固壁邊界條件。計算域的左右兩個邊界使用周期性邊界條件。求解方法采用SIMPLIC算法，使用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行迭代計算。

　　1.4、性能預(yù)測

　　應(yīng)用FLUENT的表面積分功能，可得到泵效環(huán)的進(jìn)口和出口總壓，泵效環(huán)進(jìn)出口產(chǎn)生的壓差即為流體的推動力，根據(jù)其差值可得到相應(yīng)的泵送揚(yáng)程。其計算公式如下：

H=p2-p1ρg(1)

　　式中：p2和p1分別為泵效環(huán)出口和進(jìn)口壓力。

3、結(jié)論

　　(1)基于離心式泵的原理，設(shè)計了一種錐形離心式泵效環(huán)，利用FLUENT軟件對泵效環(huán)工作面的壓力分布進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明，泵效環(huán)產(chǎn)生離心壓力，具有一定的泵送能力;在高轉(zhuǎn)速下泵效環(huán)更易發(fā)生空化空蝕現(xiàn)象。

　　(2)泵效環(huán)的數(shù)值計算結(jié)果與理論分析結(jié)果具有較小的誤差，且符合離心泵葉片進(jìn)出口角度90°情況下的流量揚(yáng)程特性，證明了所建立的模型的正確性。

　　(3)轉(zhuǎn)速增加，泵效環(huán)的泵送能力相應(yīng)的增加;泵效環(huán)葉片數(shù)增加，對流體的推動力也會增加，泵效環(huán)具有更強(qiáng)的泵送能力，但是隨著葉片數(shù)的增加，空化空蝕現(xiàn)象也會更易發(fā)生。

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