机械密封用锥形叶片式泵效环泵送能力研究

　　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。

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。

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。

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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