多级离心泵内部间隙流动与泄漏损失_吴大转

该模 型 的 计 算 网 格 如 图 ２ 所 示．叶 轮 与 导 叶 部 分 的 流 道 复 杂 ，为 提 高 建 模 效 率 ，采 用 四 面 体 的 非 结 构 化 网 格 ．而 前 后 密 封 口 环 泄 漏 流 道 如 图 ３ 所 示 ，采 用 六 面 体 结 构 化 网 格 ，以 提 高 关 键 部 分 的 计 算 精 度 ． 叶轮进口与导叶出 口 采 用 六 面 体 网 格 划 分，减 少 网 格 总 数 ，加 快 计 算 收 敛 速 度 ．通 过 网 格 数 对 计 算 结 果 影 响 的 分 析 发 现 ，网 格 数 大 于 ３００ 万 时 ，扬 程 的 计 算 结 果 变 化 很 小 ．模 型 网 格 总 数 在 ３３６．５ 万 ，网 格 最 大 的 等 角 斜 率 为 ０．７５．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｎｕｌａｒ ｓｅａｌ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ，ａ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ，ｇｕｉｄｅ ｖａｎｅ ａｎｄ ａｎｎｕｌａｒ ｓｅａｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｆｌｕｘ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｐｕｍｐ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ａｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｌｅａｋａｇｅ ｆｌｕｘ ｉｓ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ａｔ ｂｅｓｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｐｕｍｐ．Ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｃａｎ’ｔ ｂｅ ｉｇｎｏｒｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｗａｓ ａｌｌｅｖｉａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｏｕｔｌｅｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｒｙ，ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｉｎｌｅｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｌｅａｋａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ；ａｎｎｕｌａｒ ｓｅａｌ；ｃｌｅａｒａｎｃｅ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
作 者 简 介 ：吴 大 转 （１９７７— ），男 ，副 教 授 ，从 事 流 体 机 械 优 化 与 控 制 工 程 的 研 究 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｄａｚｈｕａｎ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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浙 江 大 学 学 报 （工学版） 第４５卷
研究多级离心泵的容积损失与内部流动特性有着重
叶轮间隙的存在是离心泵产生容积损失的主要 原 因 ．但 由 于 口 环 间 隙 尺 寸 相 比 离 心 泵 整 体 较 小 ，流 动 情 况 复 杂 ，试 验 研 究 困 难 ．以 往 针 对 离 心 泵 内 部 流 动的分析和性能预测大多不考虑口环对水力性能的 影 响 ，流 体 动 力 学 （ＣＦＤ）分 析 通 常 忽 略 口 环 间 隙 ，无 法 捕 捉 间 隙 流 动 结 构 、容 积 损 失 及 轴 向 力 等 参 数 ．因 此，包含叶轮口 环 的 整 体 模 型 的 ＣＦＤ 数 值 模 拟，对
要的意义． 叶轮 口 环 间 隙 属 于 非 接 触 式 密 封 形 式，其 特 点
是 水 力 直 径 小 ，液 体 具 有 一 定 黏 度 ，在 端 面 相 对 运 动 条 件 下 产 生 很 高 的 流 阻 ，以 保 持 较 小 的 泄 漏 损 失 ．美 国的 Ｂａｓｋｈａｒｏｎｅ等 采 ［１］ 用 有 限 元 分 析 的 方 法 对 多 级泵内部间隙泄漏流动及其影响进行了数值计算， 与 现 有 的 叶 轮 泄 漏 分 析 模 型 进 行 对 比．赵 伟 国 等［２］ 采用基于 ＣＦＤ 的数值模拟方法，对不同密封口环间 隙的离心泵性能进 行 分 析，同 时 比 较 了 离 心 泵 的 外 特性 曲 线 和 内 部 流 场 结 构．李 文 广 等 对 ［３］ 不 同 离 心 油泵叶轮前后口环间隙改变时的水力性能进行试验 研究，采用 ＣＦＤ 方法对叶轮与泵壳体之间的黏性旋 转液流进行 雷 诺 数 与 表 面粗糙度有 关．一 般 情 况 下，对 于 离 心 泵 的 阻 力 系
数 ，可 取 μ＝０．５～０．６．
１．２ 整 体 计 算 模 型 与 网 格 划 分
叶轮口环的主要作用是限制叶轮工作室内的高压
液体向叶轮进口的低压区泄漏．本文为研究密封口环 对多级离心泵性能的影响，分析对象为高压切焦泵，设
整体分析模型 采 用 ＵＧ 软 件 进 行 三 维 造 型，其 模 型 如 图 １ 所 示 ，流 道 包 括 导 叶 、叶 轮 和 前 后 密 封 环 流 道 ．为 方 便 计 算 与 设 定 边 界 条 件 ，叶 轮 的 进 出 口 采 用直圆柱形流道．
图 １ 流 道 三 维 模 型 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｌｏｗ ｐａｓｓａｇｅ
多级离心泵内部间隙流动与泄漏损失
吴大转，许斌杰，武 鹏，李志峰，王乐勤
（浙江大学 化工机械研究所，高压过程装备与安全教育部工程研究中心，浙江 杭州 ３１００２７）
摘 要 ：为 研 究 多 级 离 心 泵 前 后 密 封 口 环 对 整 体 水 力 性 能 和 容 积 损 失 的 影 响 ，以 某 高 压 离 心 泵 为 分 析 模 型 ，建 立 叶 轮、导叶和密封环一体化的整体模型并进行了三维流 场 模 拟，得 到 不 同 工 况 下 多 级 泵 的 水 力 性 能 和 口 环 间 隙 泄 漏 量，分析间隙内的流场结构．结果表明，考虑环形间隙 结 构 的 全 模 型 性 能 预 测 结 果 与 试 验 值 取 得 较 好 的 一 致 ，在 设 计点附近的泄漏量预测值与经验公式计算结果接近．高 压 多 级 离 心 泵 内 部 泄 漏 损 失 对 性 能 存 在 明 显 的 影 响 ，间 隙 内 的 回 流 和 叶 片 出 口 处 的 损 失 随 流 量 增 加 而 减 小 ，相 反 地 ，叶 轮 入 口 处 的 损 失 因 流 量 和 间 隙 泄 漏 量 增 加 而 增 大 ． 关 键 词 ：多 级 离 心 泵 ；叶 轮 口 环 ；间 隙 ；内 部 流 动 ；数 值 模 拟 中 图 分 类 号 ：ＴＨ ３１１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００８－９７３Ｘ（２０１１）０８－１３９３－０６
计参数：流量ｑＶ ，Ｈ，效率η，转速ｎ，功率 Ｐ 见表１．
表 １ 高 压 泵 设 计 参 数 Ｔａｂ．１ Ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｍｐ
ｑＶ／
ｎ／
Ｈ／ｍ （ｍ３ ·ｈ－１ ）
η／％
Ｐ／ｋＷ （ｒ·ｍｉｎ－１）
级 数 ｎｓ
２８０ ３ ０６０ ７５ ４ ０００ ３ ８００ １０ ５６
由于该多级泵级间的叶轮水力设计和密封环形 式相同，仅选择次级 的 叶 轮 流 道 和 口 环 进 行 内 部 流 动分析．
根据 模 型 的 初 步 设 计 结 果，前 口 环 直 径 Ｄｍ１ ＝ １９０ｍｍ，长 度ｌ１＝２２ ｍｍ，间 隙 宽 度δ１ ＝０．４ ｍｍ， 后 口环处的直径 Ｄｍ２＝１４５ｍｍ，长度ｌ２＝１１ｍｍ，间 隙 宽 度δ２＝０．３ ｍｍ．
收 稿 日 期 ：２０１０－０４－１０．
浙 江 大 学 学 报 （工 学 版 ）网 址 ：ｗｗｗ．ｊｏｕｒｎａｌｓ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｅｎｇ
基 金 项 目 ：中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （２０１０ＫＹＪＤ０２４）；浙 江 省 重 大 科 技 专 项 资 助 项 目 （２００８Ｃ１１０５６）．
目 前，基 于 ＣＦＤ 数 值 模 拟 的 离 心 泵 性 能 研 究， 大多忽略口环间隙 的 影 响．为 了 分 析 口 环 间 隙 对 性 能和轴向力的影响，本 文 在 不 考 虑 间 隙 的 简 化 模 型 基 础 上 ，建 立 了 包 括 前 后 口 环 间 隙 与 叶 轮 、导 叶 一 体 化的的整体模型．
Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ
ＷＵ Ｄａ－ｚｈｕａｎ，ＸＵ Ｂｉｎ－ｊｉｅ，ＷＵ Ｐｅｎｇ，ＬＩ Ｚｈｉ－ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｅ－ｑｉｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
第 ４５ 卷 第 ８ 期 ２０１１ 年 ８ 月
浙 江 大 学 学 报 （工学版）