利用離心泵理論，對一種機械密封用錐形葉片式泵效環(huán)的性能進行理論分析，并利用CFD軟件對泵效環(huán)的性能進行數(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式即揚程表達式，分析泵效環(huán)轉數(shù)和葉片數(shù)對其泵送能力的影響。理論分析結果和數(shù)值模擬結果基本一致，確認模型的合理性。隨著泵效環(huán)轉數(shù)和葉片數(shù)的增加，其泵送能力相應增加，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的旋轉設備采用機械密封。在目前的機械密封技術中，一種阻止泄漏的最有效方式是采用雙端面機械密封，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，從而延長機械密封使用壽命。封液在機械密封系統(tǒng)里循環(huán)流動以達到冷卻潤滑的目的，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。真空技術網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為合理設計的內置泵效環(huán)系統(tǒng)結構簡單，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)工作機制類似離心泵。螺旋式泵送環(huán)在旋轉時，其上的螺紋帶動槽內的介質轉動，由于慣性的作用，使螺紋槽與槽內介質形成相對運動，促使封液向一定方向運動。

　　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)鄰域流場進行模擬計算，分析泵效環(huán)的泵送能力，并與理論結果進行對比。

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)的雙端面機械密封系統(tǒng)如圖1所示。其泵效環(huán)為錐形葉片式結構，安裝在旋轉件上，隨機械密封動環(huán)的旋轉而旋轉，帶動封液循環(huán)流動。

圖1 帶有泵效環(huán)的雙端面機械密封

　　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，葉片與葉片之間的槽區(qū)相當于葉輪流道，如圖2所示。封液從泵效環(huán)的小端入口進入，機械密封旋轉，則泵效環(huán)隨之旋轉，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，葉片的轉動增加了液體的推力。

圖2 泵效環(huán)端面幾何結構示意圖

　　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，主要的設計參數(shù)為：流量Q=6L/min，轉速n=3000r/min，揚程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)格質量不高而導致的數(shù)值計算結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，應用非結構化網(wǎng)格對整個計算區(qū)域進行劃分。為了減小在計算過程中進口及出口位置對計算區(qū)域的影響，計算區(qū)域的進口和出口適當作了一定的延伸。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，進口邊界條件采用速度進口，出口采用壓力出口邊界條件。設置旋轉參考系，將流體流動區(qū)域設置為轉動參考系，將泵效環(huán)表面和密封腔內壁面設置為移動壁面，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，使用二階迎風差分格式進行迭代計算。

　　1.4、性能預測

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

H=p2-p1ρg(1)

　　式中：p2和p1分別為泵效環(huán)出口和進口壓力。

3、結論

　　(1)基于離心式泵的原理，設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行了模擬。模擬結果表明，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)值計算結果與理論分析結果具有較小的誤差，且符合離心泵葉片進出口角度90°情況下的流量揚程特性，證明了所建立的模型的正確性。

　　(3)轉速增加，泵效環(huán)的泵送能力相應的增加;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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