口環(huán)間隙對(duì)雙級(jí)高速離心泵性能的影響

周治華,王浩明,王園丁,李小芳,林慶國

(上海空間推進(jìn)研究所 上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心,上海 201112)

0 引言

低比轉(zhuǎn)速高速離心泵具有流量小、揚(yáng)程高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、石油化工、制藥和電力等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。對(duì)于多級(jí)高速低比轉(zhuǎn)速離心泵,轉(zhuǎn)子和靜子的密封間隙數(shù)量較多,在下游高壓驅(qū)動(dòng)下,流體通過轉(zhuǎn)靜部件間隙或者平衡孔回流至葉輪上游形成內(nèi)循環(huán),導(dǎo)致較高損耗。分析并控制口環(huán)間隙泄漏流動(dòng)對(duì)提升低比轉(zhuǎn)速離心泵效率和降低能耗具有重要意義。

對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的低比轉(zhuǎn)速離心泵,泵尺寸相對(duì)較大,調(diào)整口環(huán)間隙來改善低比轉(zhuǎn)速泵性能具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)施方便的優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)已開展了相關(guān)的研究[2-7]。相較于低速泵,高速低比轉(zhuǎn)速離心泵的揚(yáng)程高、尺寸相對(duì)較小,口環(huán)泄漏流動(dòng)具有泄漏流驅(qū)動(dòng)壓差大、間隙相對(duì)尺寸較大的特點(diǎn),口環(huán)間隙對(duì)性能的影響更加顯著[8-9]。文獻(xiàn)[10-12]通過數(shù)值模擬研究了口環(huán)間隙對(duì)比轉(zhuǎn)速為25的高速離心泵性能及腔內(nèi)流動(dòng)特性的影響,分析了高速離心泵揚(yáng)程、效率及功率對(duì)前口環(huán)、后口環(huán)間隙的敏感度。對(duì)帶誘導(dǎo)輪的高速離心泵數(shù)值研究顯示,口環(huán)間隙不僅影響離心泵的外特性,還與泵各流體域損耗占比及泵的抗汽蝕性能相關(guān)[13-15]。文獻(xiàn)[16]對(duì)比了3種轉(zhuǎn)速下的無油潤滑高速離心泵變工況特性,并采用數(shù)值方法研究了口環(huán)間隙的影響,隨著轉(zhuǎn)速增加,間隙引起的揚(yáng)程損失逐步增大。此外,基于高速離心泵口環(huán)密封結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[17-19]對(duì)離心泵口環(huán)間隙簡化模型的泄漏流動(dòng)特性展開了研究,詳細(xì)分析了高速條件下環(huán)形間隙尺寸、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子偏心率和來流參數(shù)對(duì)間隙密封特性的影響。目前對(duì)低比轉(zhuǎn)速高速離心泵口環(huán)間隙的研究主要基于數(shù)值和理論分析,關(guān)于口環(huán)間隙對(duì)高速離心泵性能影響的試驗(yàn)研究較少,而口環(huán)間隙是影響高速低比轉(zhuǎn)速泵性能的重要因素,有必要對(duì)其進(jìn)行深入的研究。

為探究口環(huán)間隙對(duì)高速離心泵損耗性能的影響,本文針對(duì)雙級(jí)比轉(zhuǎn)速為46的高速離心泵,設(shè)計(jì)了兩種不同口環(huán)間隙的方案,測(cè)量了泵的水力特性曲線,結(jié)合試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式分析口環(huán)間隙對(duì)泄漏損耗和離心泵性能的影響。

1 試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)方案

1.1 高速電動(dòng)泵綜合測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)在高速屏蔽泵綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行(見圖1),測(cè)試平臺(tái)主要包括液路循環(huán)及溫控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。液路循環(huán)及控溫系統(tǒng)包括增壓儲(chǔ)箱、溫控機(jī)組、質(zhì)量流量計(jì)、過濾器、主開關(guān)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、供液管路和安裝支座及其附件。測(cè)控系統(tǒng)包括智能驅(qū)動(dòng)控制器、電參數(shù)測(cè)量儀、水力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。智能驅(qū)動(dòng)控制器選用臺(tái)達(dá)高階磁束矢量控制型變頻器,可采集電壓、電流、控制頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。高速電機(jī)三相電參數(shù)測(cè)試儀選用青智儀器的8930 產(chǎn)品,能夠采集電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相及平均的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

圖1 高速電動(dòng)泵綜合測(cè)試示意圖

離心泵采用屏蔽電機(jī)驅(qū)動(dòng),屏蔽電機(jī)供電及電參數(shù)測(cè)量如圖2所示,由電網(wǎng)380 V三相電源接入智能驅(qū)動(dòng)控制器,通過驅(qū)動(dòng)控制器參數(shù)控制輸出電機(jī)工作所需電參數(shù),采用串聯(lián)接入的電參數(shù)測(cè)量儀采集輸入電機(jī)的三相及平均電參數(shù)。

圖2 電動(dòng)泵供電及電參數(shù)測(cè)試示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

研究對(duì)象為一高速低比轉(zhuǎn)速雙級(jí)離心泵,主要包括泵殼、首級(jí)葉輪、首級(jí)回轉(zhuǎn)導(dǎo)葉、次級(jí)葉輪及次級(jí)導(dǎo)葉。離心泵內(nèi)部高壓流體通過首級(jí)葉輪前/后蓋板間隙、次級(jí)葉輪前/后蓋板間隙、首級(jí)和次級(jí)級(jí)間間隙形成內(nèi)漏,產(chǎn)生泄漏損耗,具體的高速離心泵泄漏間隙如圖3所示。

圖3 高速離心泵示意圖

圖3中可以分析離心泵泄漏情況:①首級(jí)葉輪出口流體經(jīng)前口環(huán)泄漏;②首級(jí)葉輪出口流體經(jīng)后口環(huán)及平衡孔泄漏;③首級(jí)導(dǎo)葉出口流體經(jīng)導(dǎo)葉與軸間隙泄漏;④次級(jí)葉輪出口流體經(jīng)次級(jí)前口環(huán)泄漏;⑤次級(jí)葉輪出口流體經(jīng)次級(jí)后蓋板及平衡孔泄漏;⑥次級(jí)葉輪出口流體經(jīng)后蓋板及軸承腔室泄漏。

本研究主要關(guān)注口環(huán)間隙控制對(duì)高速離心泵性能的影響,基于離心泵間隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn),改進(jìn)首級(jí)葉輪及次級(jí)葉輪的前后口環(huán)間隙來控制泄漏損耗。試驗(yàn)方案口環(huán)間隙減小量具體見表1。

表1 試驗(yàn)方案口環(huán)間隙減小量

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

離心泵揚(yáng)程系數(shù)Ψ、流量系數(shù)Φ計(jì)算式為

(1)

式中:pin和pout分別為葉輪入口和出口壓力;ρ為介質(zhì)密度;ut為葉輪出口圓周速度;uin為入口軸向速度。

離心泵效率計(jì)算時(shí)的電機(jī)軸功率通過測(cè)量的電機(jī)輸入功率Pin減去電機(jī)空載時(shí)的損耗功率P1獲得,電機(jī)繞組損耗較小,忽略電機(jī)繞組損耗的影響。P1計(jì)算式為

P1=a+bn+cn2

(2)

式中:a、b、c為擬合常數(shù);n為轉(zhuǎn)速。

不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)空載損耗P1通過試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)擬合獲得,曲線擬合后R2值為0.999。

Pep為電機(jī)軸功率,計(jì)算式為

Pep=Pin-P1

(3)

泵效率ηpump計(jì)算式為

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原型試驗(yàn)結(jié)果

圖4對(duì)比了原型方案的轉(zhuǎn)速-揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速-效率關(guān)系,其中n0、H0、P0分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和軸功率。閥門開度恒定時(shí),揚(yáng)程隨著轉(zhuǎn)速升高而增大,揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速成二次曲線關(guān)系。效率隨轉(zhuǎn)速升高先增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速超過0.5n0時(shí),效率達(dá)到30%且基本保持不變。

圖4 原型方案轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程、效率關(guān)系

調(diào)節(jié)泵出口流量,測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下的泵特性曲線如圖5所示。一定轉(zhuǎn)速下,隨著流量系數(shù)的增大,泵出口壓力持續(xù)下降,對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程系數(shù)持續(xù)減小。在小流量系數(shù)時(shí),揚(yáng)程系數(shù)變化較緩慢;隨著流量系數(shù)的增加,揚(yáng)程系數(shù)下降率逐漸增大。流量系數(shù)較小時(shí),揚(yáng)程系數(shù)變化較小,效率升高較快;隨著流量系數(shù)進(jìn)一步增大,揚(yáng)程系數(shù)下降加快,效率增加緩慢。在流量系數(shù)為0.096時(shí),泵效率最高為52.5%,隨后逐漸降低。

圖5 原型方案變轉(zhuǎn)速特性

圖5表明,不同轉(zhuǎn)速的Φ-Ψ曲線及Φ-η基本重合。基于泵效率計(jì)算公式,流量為轉(zhuǎn)速n的一次函數(shù)、揚(yáng)程為轉(zhuǎn)速n的二次函數(shù)、電機(jī)輸入功率為轉(zhuǎn)速n的三次函數(shù)。由此可以近似對(duì)比不同轉(zhuǎn)速的Φ-Ψ和Φ-η曲線關(guān)系。

2.2 葉輪前后口環(huán)改進(jìn)結(jié)果

對(duì)比改進(jìn)前后,在閥門開度不變時(shí),離心泵的揚(yáng)程、效率及軸功率關(guān)系。圖6所示測(cè)試范圍內(nèi),減小葉輪前、后口環(huán)間隙,泵揚(yáng)程和效率升高,輸入軸功率減小。其中泵效率升高約5%,揚(yáng)程提升隨轉(zhuǎn)速增大而增大,電機(jī)軸功率減少量持續(xù)減小。

圖6 原型與改進(jìn)方案性能對(duì)比

圖7為相同轉(zhuǎn)速下改進(jìn)前后的Φ-Ψ及Φ-η特性曲線對(duì)比。

圖7 原型與改進(jìn)方案泵特性曲線對(duì)比

在測(cè)試的流量范圍內(nèi),口環(huán)間隙改進(jìn)方案的揚(yáng)程系數(shù)較原型方案整體升高,且揚(yáng)程系數(shù)變化較小,設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量系數(shù)為0.03,流量系數(shù)在0.03以后揚(yáng)程系數(shù)略有下降。改進(jìn)方案泵揚(yáng)程系數(shù)提高的主要原因是泄漏流量減小,葉輪入口主流與泄漏流摻混損失減小,通過葉輪的流量下降,葉輪出口與導(dǎo)葉輪間相互作用損失減弱。與原型方案相比,泵效率整體升高約5%。泵效率提升一方面由于泵的揚(yáng)程系數(shù)增高;另一方面,葉輪前后蓋板處的泄漏流量降低導(dǎo)致的損耗減小,兩者綜合作用使得效率提升。

2.3 損耗分析

為進(jìn)一步探討口環(huán)間隙引起的損耗變化,參考文獻(xiàn)[20-21]對(duì)離心泵泄漏損耗及轉(zhuǎn)子摩擦損耗進(jìn)行分析。離心泵泄漏損耗占比w計(jì)算式為

(5)

口環(huán)泄漏流量系數(shù)μ計(jì)算式為

(6)

式中:ξ為間隙口環(huán)進(jìn)口圓角系數(shù);τ為口環(huán)間隙;l為口環(huán)間隙密封長度;λ為摩擦因數(shù)。

為分析變工況的泄漏損耗,考慮了旋轉(zhuǎn)及間隙流動(dòng)對(duì)λ的影響,有

(7)

式中λ0為不考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的摩擦因數(shù),計(jì)算式為

(8)

式中Reu和Re分別為口環(huán)處旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)及間隙內(nèi)部流動(dòng)雷諾數(shù),計(jì)算式為

(9)

式中:vD1為口環(huán)處圓周速度;vax為口環(huán)間隙軸向速度,通過流量迭代計(jì)算獲得;n為葉輪轉(zhuǎn)速;ν為動(dòng)力黏度。

轉(zhuǎn)子摩擦損耗參考文獻(xiàn)[21]中圓柱表面與旋轉(zhuǎn)圓盤摩擦損失進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)子摩擦損耗考慮了首級(jí)和次級(jí)葉輪的前后口環(huán)、前后蓋板圓盤的摩擦損耗。

對(duì)比不同轉(zhuǎn)速的離心泵口環(huán)泄漏損耗及轉(zhuǎn)子摩擦損耗(見圖8),隨著轉(zhuǎn)速的升高,泄漏損耗先增加,在0.5n0后維持相對(duì)穩(wěn)定;摩擦損耗先略微升高,在0.3n0處達(dá)到最大值,隨后呈緩慢下降趨勢(shì);在0.5n0后,兩種損耗占比相對(duì)穩(wěn)定,這與泵轉(zhuǎn)速在0.5n0以上時(shí)效率基本不變相對(duì)應(yīng)。

圖8 不同轉(zhuǎn)速的口環(huán)相對(duì)泄漏流量、泵泄漏損耗占比及摩擦損耗占比對(duì)比

由于原型方案的口環(huán)間隙較大,其泄漏損耗占比高;改進(jìn)方案后,泄漏損耗明顯降低;當(dāng)口環(huán)間隙減小時(shí),口環(huán)處的摩擦阻力增大,導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)子的摩擦損耗增加。此外,為保證離心泵安全穩(wěn)定運(yùn)行,轉(zhuǎn)子和靜子間須存在一定的間隙。

在同一轉(zhuǎn)速下,隨著泵流量系數(shù)的增加,口環(huán)泄漏引起的損耗和摩擦損耗持續(xù)減小(見圖9)。對(duì)大口環(huán)間隙,泄漏損耗占比下降顯著,摩擦損耗占比下降緩慢。減小口環(huán)間隙泄漏損耗急劇減小,但泄漏損耗占比下降速率明顯低于大口環(huán)間隙方案,主要原因在于小口環(huán)間隙下,泵出口揚(yáng)程變化較小使得口環(huán)泄漏壓差變化不明顯;而大口環(huán)方案泵出口揚(yáng)程下降,泄漏損耗減小,因而其損耗占比下降更快。

圖9 同一轉(zhuǎn)速下不同出口流量的口環(huán)相對(duì)泄漏量、泵泄漏損耗及摩擦損耗對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過雙級(jí)高速離心泵水力性能試驗(yàn)分析了離心泵變工況性能特性,對(duì)比了葉輪前后口環(huán)改進(jìn)的試驗(yàn)結(jié)果,并探討了口環(huán)間隙對(duì)泵損耗的影響,得到以下結(jié)論。

1)對(duì)雙級(jí)低比轉(zhuǎn)速高速離心泵原型方案進(jìn)行試驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的泵效率為30%;設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下,泵效率最高超過50%。

2)口環(huán)間隙對(duì)低比轉(zhuǎn)速高速泵揚(yáng)程及效率影響顯著,減小口環(huán)間隙有利于提高低比轉(zhuǎn)速泵水力性能。雙級(jí)泵口環(huán)間隙改進(jìn)有效地提升了泵的揚(yáng)程系數(shù)和效率,揚(yáng)程系數(shù)提高至1.07,效率整體提升約5%,設(shè)計(jì)點(diǎn)效率提升至35%。

3)低比轉(zhuǎn)速高速泵口環(huán)間隙損耗分析顯示,改進(jìn)口環(huán)間隙盡管會(huì)引起摩擦損耗增加,但降低泄漏損耗帶來的收益更大。在確保可靠運(yùn)行下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小口環(huán)間隙。