平衡孔数量对离心泵性能影响的数值模拟

文章来源：e-works    作者：钟华舟  郭义航  王聪      

本文采用CFD数值模拟的方式，针对某一离心泵，深入研究了不同平衡孔数目对其性能，轴向力等方面的影响。结果表明：平衡孔能够大大降低轴向力，同时也会降低泵的效率；平衡孔数目越多，轴向力降低越多，效率降低越多；在实际应用中，可以通过CFD模拟的方式，对平衡孔数目进行调节，以兼顾轴向力和效率的需求。

前言

离心泵作为一种应用十分广泛的通用机械，广泛用于楼宇供水，石油化工等领域，在国民生活中具有举足轻重的地位。由于离心泵本身的特性，在运行过程中会对转子部件产生轴向力拉力，当轴向拉力过大时，会极大的影响轴承寿命，造成机封等转子部件损坏。通过在叶轮上打平衡孔的方式来降低轴向力，是一种十分简单有效的方式。然而，平衡孔的增加，加大了叶轮的泄漏，对泵的效率产生极大的不利影响。同时，在某些情况下，会导致在泵运行过程中，轴向力方向的反复变化，方向反复变化的力，对轴承等的损害会更大。       随着计算流体动力学和计算机技术的发展，通过计算机数值模拟的方式对离心泵进行研究，已经成为普遍而广泛的一种趋势。本文利用CFD技术对某一单级离心泵进行全流场模拟，对比了平衡孔数目对离心泵性能、轴向力等的影响，为离心泵的结构设计提供了重要的参考。1 计算模型       1.1 泵的主要参数       研究对象为6叶片直连式单级单吸蜗壳式离心泵。该泵的主要性能参数分别为：设计流量Qd=216m3/h，设计扬程Hd=32.5m，额定转速n=2900r/min，效率eff=73.5%，比转速ns=190。主要几何参数，叶片出口直径：200mm，叶片出口宽度b2=22mm，叶片数Z=6，前后密封环单边间隙Rseal=0.3mm。采用TurboTides软件进行离心泵叶轮和蜗壳的建模，计算区域包括进口段，叶轮，前泵腔，后泵腔，蜗壳等6部分水体。叶轮如图1所示：

图1 叶轮模型

　　       1.2 网格划分及前处理设置       前后泵腔由于口环间隙仅为0.3mm，该处间隙与整体尺寸相比，十分微小，需要对该处进行细致的网格划分，保证间隙里有足够数目的网格，以满足计算精度的需要，使其能够充分捕捉该处的泄漏流动。对前后泵腔提前切割好块，在Mesh中进行自动全六面体网格生成，如下图：

图2 前腔网格

图3 前腔间隙网格

图4 后腔间隙网格

　　       由于四面体网格对复杂几何的适应性更强，划分方便，同时也满足精度的需求，因此本论文的蜗壳和叶轮部分采用四面体网格，叶轮部分网格如下图：

图5 叶轮网格

　　       全平衡孔计算模型的网格具体数目如下：

表1 网格数目

　　       在进行CFX设置时，叶片与进口段，前腔，后腔，蜗壳有交界面，交界面类型设置为Frozen-rotor，其他交界面类型设置为None。       在实际应用以及CFD计算中，避免粗糙度也是一个十分关键的因素，对效率等有十分显著的影响。在CFD计算中，需要参考实际产品的工艺进行设置，在本研究中，壁面粗糙度统一设置为40micro。       为了准确的计算轴向力，采用总压进口和流量出口的边界条件；叶轮和泵腔上与叶轮相连的壁面定义为旋转壁面辩解条件，其转速为叶轮转速，其他壁面定义为无滑移避免，并设置相应的粗糙度。2 计算结果分析       如图6中的QH曲线所示，没有平衡孔时扬程最高，6个平衡孔的扬程最低，3个平衡孔的QH曲线居中。整体上，曲线接近平移趋势。这是因为当增加平衡孔时，叶轮出口的部分流体经过平衡孔又回流到了叶轮内部，没有沿着蜗壳流出，使得在同样条件下流出叶轮的流体减少，反映在下图的曲线上，将没有平衡孔的曲线向左平移即可以近似得到3个平衡孔的QH曲线和6个平衡孔的QH曲线。由于平衡孔导致的泄漏的存在，在设计点，扬程降低约0.8%；6个平衡孔时，设计点的扬程降低约1.7%。

图6 QH曲线

　　       如图7所示，平衡孔对功率的影响并不明显。功率曲线几乎没有明显的波动，下图中的曲线没有完全重合，可能是因为计算误差所致。经过平衡孔泄漏的流量由叶轮出口经后口环平衡孔流至叶轮内部，这一部分能量在该路径下不断循环，对叶轮的功影响较小，因此在曲线上上并不十分明显。

图7 QP2曲线

　　       图8为流量效率曲线。如图8所示，随着平衡孔数目的增加，效率呈现下降趋势，并且高效点有向小流量偏移的趋势。由于泄漏的存在，虽然叶轮做功没有明显变化，但是泄漏的部分流体在泵的内部进行循环流动，没有流出泵，也即并没有对外做有用功，进而使得泵整体的效率降低。泄漏量越大，效率越低。当没有平衡孔时，高效点的效率约为74.7%；当有3个平衡孔时，高效点的效率约为74.0%；当有6个平衡孔时，效率约为73.6%。当平衡孔全开时，效率降低约1%。

图8 QP2曲线

　　       如下图9为轴向力曲线,从图上可以看出，在设计点附近，全开平衡孔时，轴向力约为不开平衡孔时的50%，在仿真的最大流量处，全开平衡孔时轴向力约不开平衡孔的33%，在仿真的最小流量处，全开平衡孔时轴向力约为不开平衡孔的50%。由此可见，平衡孔可以极大的降低离心泵的轴向力。随着平衡孔数目的减小，直至为0（即不开平衡孔），轴向力依次增大。结合图8，效率则依次降低。由此可见，可以结合机械结构所允许的轴向力，通过调整平衡孔的数目，来保证满足机械结构的同时，最大程度的提高泵的效率。

图9 Q-Axial force

　　       如图10所示，高压流体经后口环由平衡孔进入叶轮，降低了叶轮后腔的压力，进而降低了轴向推力。由图中流线可以看出，在流体进入平衡孔时，压力较高，进入叶轮后与叶轮的低压区进行混合，压力降低，然后流体随着叶轮是做功，压力逐渐升高。平衡孔的存在，一方面降低了后腔的压力，使得轴向力有显著的降低，另一方面也对叶轮内部的流场造成了破坏，增大了叶轮内部的流动损失，进而使得效率变低。当平衡孔数目减少时，后腔压力降低较少，经平衡孔的泄漏变少，同时对叶轮内部流场的破坏程度也减小，使得效率变化较小。

图10 平衡孔处流线图

图11 平衡孔处截面流线图

　　3 结论       1.在叶轮上加平衡孔能够显著降低轴向力，但是也会对泵的效率产生不力的影响。       2.平衡孔增加了叶轮的泄漏，与没有平衡孔相比，整体的QH曲线向小流量进行了偏移。高效点也有向小流量偏移的趋势。       3.平衡孔的数目对轴向力和效率均有影响，随着平衡孔数目的增加，轴向力和效率均逐渐减小。CFD可以很好的捕捉这种趋势，在实际应用中，需要根据结构的需求来确定平衡孔的数目，以兼顾轴向力和效率。