葉輪口環間隙結構對離心泵效率的影響分析

摘 要：葉輪口環對離心泵的性能有著重要的影響，口環間隙直接影響著離心泵的效率。而現有葉輪口環間隙的尺寸及結構影響著密封的效果，導致離心泵整體性能下降。基于此，本文提出一種梯形口環結構，能夠有效減少水泵工作中的容積損失，提高離心泵的效率。

關鍵詞：離心泵；葉輪口環；梯形口環結構

中圖分類號：TH311 文獻標識碼：A 文章編號：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 葉輪口環間隙結構

葉輪口環間隙對于離心泵的整體性能有著極大的影響，不僅產生了容積損失，而且對其流場內內部流動產生了不小的影響。葉輪口環間隙的尺寸及結構影響著密封的效果，由于加工工藝和復雜程度等因素的限制，現有葉輪口環間隙處的結構大多為圓環形的間隙結構[1-2]。為了改變口環間隙的尺寸及結構，本文提出了一種梯形的密封結構，在端口處采用漸進式過渡，使出口處間隙減小，間隙簡化圖如圖1所示。

圖1 梯型口環間隙圖

2 流體損失

口環間隙的變化對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算得出：

η=ηh×ηm×ηv （1）

式（1）中，ηh為水力效率，ηm為機械效率，ηv為容積效率。

2.1 水力效率

水力效率的計算方法為：

[ηh=1+0.083 51g3Qv/n] （2）

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

[ηh=1-0.42/lgD0-0.1722] （3）

式（3）中，D0為葉輪進口直徑。

2.2 機械效率

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

離心泵工作時，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，一般取值為0.02；ρ為離心泵內液體密度；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間隙的大小密切相關。由于研究對象為單級單吸離心泵，對多級離心泵的級間損失不予考慮[4]。

葉輪口環間隙處泄漏量為：

ηv=Qv/Qvt=Qv/（Qv+q） （6）

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

3 仿真分析

進口流量為40m3/h，對不同的口環間隙下離心泵的性能特性進行了仿真分析，圖2為口環間隙在0.3mm的靜壓云圖，圖3為口環間隙結構壓力圖。

圖2 Z=0時0.3mm靜壓云圖

離心泵進口處旋轉區域壓力小于蝸殼外圍壓力，由于旋轉機械壓強差的作用，蝸殼處壓力較高，中間區域壓力較低，隨著口環間隙的不斷增加，壓強差逐漸降低。

圖4為在2種不同間隙結構下的流量與泄漏量對比圖。在相同流量的情況下，梯形間隙的泄漏量明顯低于環形結構，因此容積效率提高，揚程增加，總效率得到了提升。

圖3 梯形口環間隙結構壓力圖

圖4 2種結構流量與泄漏量對比圖

4 結論

本文提出了一種梯形口環間隙結構，能夠有效提高離心泵進口處的密封性，減少容積損失，使離心泵的整體效率得到提高。通過運用Fluent[5]對不同口環間隙下離心泵的性能變化進行對比，并用CFD-post后處理模塊對仿真的數據進行分析，得出以下結論：①從壓力云圖可以看出，由于旋轉區域離心力的作用，離心泵工作中外部蝸殼所受壓力高于腔體內部旋轉區域壓力；②應用梯型口環密封結構，與原來圓環形口環結構進行對比，得出在相同流量情況下，梯形口環間隙結構的泄露量明顯低于環形口環間隙結構，總體效率得到提高。因而在相同間隙情況下，間隙處采取梯形結構密封性能明顯優于環形結構。

參考文獻：

[1]于慎波，張新敏，樊鵬.多級鍋爐給水泵徑向載荷和軸向推力實驗研究[J].沈陽工業大學學報，1995（1）：44-45.

[2]陳云富，史立新.離心泵腔內壓力分布的實驗研究[J].沈陽工業大學學報，2007（4）：372-375.

[3]汪永志.旋流泵性能研究及葉輪三維造型[D].鎮江：江蘇大學，2004.

[4]Chisachi Kato，Shinobu Yoshimura，Yoshinubo Yamadeetal.Prediction of the noise from a multi-stage centrifugal pump[C].Proceedings of ASME 2005 Fluids Engineering，2005.

[5]李雯林.Pro＼E系統下葉片泵水力模型庫的建立與應用[D].鎮江：江蘇大學，2005.