机械密封用锥形叶片式泵效环泵送能力研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学化学工程学院 作者:贺鹏程

  利用离心泵理论,对一种机械密封用锥形叶片式泵效环的性能进行理论分析,并利用CFD软件对泵效环的性能进行数值模拟,获得泵效环邻域流场的压力分布,给出泵效环泵送能力的理论分析表达式即扬程表达式,分析泵效环转数和叶片数对其泵送能力的影响。理论分析结果和数值模拟结果基本一致,确认模型的合理性。随着泵效环转数和叶片数的增加,其泵送能力相应增加,但是随着叶片数的增加,空化空蚀现象会更易发生。

  在过程工业中,为了防止流体泄漏,绝大部分输送液体介质的旋转设备采用机械密封。在目前的机械密封技术中,一种阻止泄漏的最有效方式是采用双端面机械密封,它在两个密封端面的腔体中间,加注了隔离液或缓冲液(以下简称封液),用于润滑和冷却密封端面,从而延长机械密封使用寿命。封液在机械密封系统里循环流动以达到冷却润滑的目的,目前使封液循环流动的装置有3种:外置泵送装置、封液热对流虹吸系统和内置泵送装置(泵效环)。外置泵送装置即在系统管路中加循环泵,这种方式涉及耐压、密封和防爆等问题,运行成本高,能耗大,一般不采用这种方式。而单纯的热对流系统虹吸系统,需要一定的温差才能实现循环,循环速度慢,其循环效果及散热效果不是很理想。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为合理设计的内置泵效环系统结构简单,循环效果明显,是目前广泛使用的封液循环装置。

  目前常用的泵效环有离心式和螺旋式2种。离心式泵送环工作机制类似离心泵。螺旋式泵送环在旋转时,其上的螺纹带动槽内的介质转动,由于惯性的作用,使螺纹槽与槽内介质形成相对运动,促使封液向一定方向运动。

  本文作者以一种锥形叶片式泵效环为研究对象,利用CFD软件Fluent对泵效环邻域流场进行模拟计算,分析泵效环的泵送能力,并与理论结果进行对比。

1、泵效环作用原理及几何模型

  1.1、泵效环作用原理

  带有锥形泵效环的双端面机械密封系统如图1所示。其泵效环为锥形叶片式结构,安装在旋转件上,随机械密封动环的旋转而旋转,带动封液循环流动。

带有泵效环的双端面机械密封

图1 带有泵效环的双端面机械密封

  所研究的泵效环有一定的锥角,由一系列的直叶片置于锥体的外侧,叶片与叶片之间的槽区相当于叶轮流道,如图2所示。封液从泵效环的小端入口进入,机械密封旋转,则泵效环随之旋转,根据离心泵的工作原理,2个叶片之间的液体受到离心力的作用被甩出,叶片的转动增加了液体的推力。

泵效环端面几何结构示意图

图2 泵效环端面几何结构示意图

  1.2、几何模型及其网格的生成

  所研究的泵效环基于离心泵原理,主要的设计参数为:流量Q=6L/min,转速n=3000r/min,扬程H=1.53m,叶片为等厚度,直叶片形式,叶片数为12,泵效环外径与密封腔内径间隙为1.5mm。为了防止在网格划分过程中,整体网格质量不高而导致的数值计算结果精度不高甚至错误的现象,选择整个流动区域的1/12作为计算区域。

  计算网格的划分采用GAMBIT软件,应用非结构化网格对整个计算区域进行划分。为了减小在计算过程中进口及出口位置对计算区域的影响,计算区域的进口和出口适当作了一定的延伸。计算区域的三维造型及网格划分图如图3所示。

计算区域及网格划分

图3 计算区域及网格划分

  1.3、边界条件

  计算采用FLUENT软件,选择k-ε湍流模型,以水作为流体材料,进口边界条件采用速度进口,出口采用压力出口边界条件。设置旋转参考系,将流体流动区域设置为转动参考系,将泵效环表面和密封腔内壁面设置为移动壁面,其他壁面采用无滑移固壁边界条件。计算域的左右两个边界使用周期性边界条件。求解方法采用SIMPLIC算法,使用二阶迎风差分格式进行迭代计算。

  1.4、性能预测

  应用FLUENT的表面积分功能,可得到泵效环的进口和出口总压,泵效环进出口产生的压差即为流体的推动力,根据其差值可得到相应的泵送扬程。其计算公式如下:

H=p2-p1ρg(1)

  式中:p2和p1分别为泵效环出口和进口压力。

3、结论

  (1)基于离心式泵的原理,设计了一种锥形离心式泵效环,利用FLUENT软件对泵效环工作面的压力分布进行了模拟。模拟结果表明,泵效环产生离心压力,具有一定的泵送能力;在高转速下泵效环更易发生空化空蚀现象。

  (2)泵效环的数值计算结果与理论分析结果具有较小的误差,且符合离心泵叶片进出口角度90°情况下的流量扬程特性,证明了所建立的模型的正确性。

  (3)转速增加,泵效环的泵送能力相应的增加;泵效环叶片数增加,对流体的推动力也会增加,泵效环具有更强的泵送能力,但是随着叶片数的增加,空化空蚀现象也会更易发生。

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