后吸式渣漿泵密封性能及內(nèi)部流動(dòng)研究

陶 藝，白永明，吳迎春

（無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 212206）

1 引言

渣漿泵主要應(yīng)用于需要輸送含有固相顆粒且具有腐蝕性的溶液，如化工、礦山、冶金、石油等許多工業(yè)部門[1]。由于輸送介質(zhì)中存在的固相顆粒，故其過(guò)流部件的水力設(shè)計(jì)除了需要考慮水力性能外[2-3]，還需要考慮固相顆粒對(duì)過(guò)流部件的磨損[4]。過(guò)流部件中，磨損較嚴(yán)重的零件主要是葉輪、蝸殼以及軸封[5]。采用副葉輪密封的渣漿泵，其密封失效主要是由于副葉輪密封前后壓力不平衡，導(dǎo)致大量顆粒進(jìn)入軸承箱，引起部件磨損[6]。采用機(jī)械密封的渣漿泵，其使用壽命又受到冷卻水、泵運(yùn)行震動(dòng)及輔助密封件老化等方面的影響，且機(jī)械密封成本較高[7-8]。早期的渣漿泵所采用的填料密封，其運(yùn)行阻力大，且軸套極易磨損，需要頻分調(diào)整壓蓋壓力來(lái)保證密封的泄漏量[9]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)渣漿泵密封進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[10]將流體動(dòng)力密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并在此基礎(chǔ)上增加了機(jī)械密封配合使用。文獻(xiàn)[11]以TRIZ 理論為基礎(chǔ)，對(duì)潛污泵的密封進(jìn)行了改進(jìn)，降低了由于顆粒介質(zhì)進(jìn)入引起的磨損，提高了可靠性和可維護(hù)性。

這里對(duì)一種后吸式渣漿泵的內(nèi)部全流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了其流場(chǎng)內(nèi)的速度及靜壓分布，尤其是軸封處的壓力。并與傳統(tǒng)離心式渣漿泵進(jìn)行了對(duì)比，研究了后吸的進(jìn)水方式，對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)分布以及軸封處壓力的影響，分析了后吸式渣漿泵的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為渣漿泵的設(shè)計(jì)及選型提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 渣漿泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該后吸式渣漿泵主要參數(shù)如下：額定流量Q=20m3/h，揚(yáng)程H=30m，轉(zhuǎn)速n=2900r/min。采用固液兩相流經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，葉輪形式為帶有背葉片的半開(kāi)式葉輪，得到其主要參數(shù)為：葉輪進(jìn)口直徑Dj=80mm，葉輪外徑D2=165mm，葉輪出口寬度b2=13mm，葉片數(shù)Z=6，葉片壓力面型線為變角螺旋線，進(jìn)口角β1=30°，出口角β2=26°，包角=80°。泵進(jìn)口采用三通管道，將葉輪反裝，即葉輪吸入方向?yàn)檫h(yuǎn)離電機(jī)方向，如圖1所示。

圖1 后吸式渣漿泵Fig.1 Slurry Pump with a Back Suction

2.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

首先通過(guò)Solidworks軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行三維造型，本次數(shù)值計(jì)算的計(jì)算域是包括葉輪前后腔間隙在內(nèi)的全流場(chǎng)。隨后再將三維造型軟件生成的通用文件導(dǎo)入到ANSYS ICEM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高數(shù)值計(jì)算速度并使數(shù)值計(jì)算獲得更好的收斂結(jié)果，所有計(jì)算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，各計(jì)算域的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖2所示。對(duì)近壁面水體均進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密。其中，葉輪部分網(wǎng)格數(shù)為705263，蝸殼部分網(wǎng)格數(shù)為1208535，前后腔間隙網(wǎng)格數(shù)為607563，背葉片部分水體網(wǎng)格數(shù)為305247，三通進(jìn)口部分網(wǎng)格數(shù)為186472，傳統(tǒng)進(jìn)口水體部分網(wǎng)格數(shù)為133142，網(wǎng)格數(shù)量的最終確定是經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid Meshing of Calculation Domain

2.3 數(shù)值計(jì)算設(shè)置

數(shù)值計(jì)算采用多重參考坐標(biāo)系，將葉輪及背葉片部分水體設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為泵轉(zhuǎn)速，蝸殼、前后腔及葉輪進(jìn)口部分水體設(shè)置為靜止域，動(dòng)靜域之間的數(shù)據(jù)傳遞采用凍結(jié)-轉(zhuǎn)子模型，對(duì)流項(xiàng)及湍流數(shù)值計(jì)算均采用高精度格式。為了數(shù)值計(jì)算能夠更好地捕捉到近壁面處的邊界層分離及二次流動(dòng)，對(duì)計(jì)算域近壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密以保證其y+值，并選用了SST湍流模型來(lái)封閉方程組。

在邊界的設(shè)置上，考慮到離心泵在出口附近的水體容易出現(xiàn)回流，故為了使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更容易收斂，采用速度進(jìn)口邊界條件，根據(jù)流量確定進(jìn)口流速，出口處采用開(kāi)放出口邊界條件，并根據(jù)預(yù)測(cè)揚(yáng)程給定相應(yīng)的靜壓，使泵內(nèi)壓力場(chǎng)的絕對(duì)值更貼近真實(shí)結(jié)果，計(jì)算域壁面采用無(wú)滑移邊界條件來(lái)模擬邊界層流動(dòng)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果的收斂精度為10-5，且進(jìn)出口總壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 軸封處?kù)o壓

傳統(tǒng)渣漿泵與后吸式渣漿泵在不同工況下軸封處平均靜壓的模擬值，如圖3所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)渣漿泵軸封處的靜壓隨流量變化明顯，在小流量工況下，軸封處?kù)o壓達(dá)到27000Pa，在大流量工況下出現(xiàn)了-10000Pa的負(fù)壓，僅在額定工況下靜壓的絕對(duì)值較低，密封性能較好。這是由于，傳統(tǒng)渣漿泵的軸封位于葉輪背面，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高壓水體在壓差的作用下有向軸封處流動(dòng)的趨勢(shì)，故一般采用背葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反壓進(jìn)行平衡，而背葉片的尺寸是根據(jù)額定工況來(lái)設(shè)計(jì)的，故僅在額定工況下密封效果較好。而后吸式渣漿泵的軸封位于三通進(jìn)口處，不受葉輪加壓后的高壓水體影響，故從圖3可以看出，軸封處?kù)o壓隨流量變化不大。

圖3 兩種渣漿泵軸封處的靜壓Fig.3 Static Pressure at the Shaft Seal of the Two Slurry Pumps

3.2 軸封處壓力脈動(dòng)頻域圖

為研究?jī)煞桨篙S封處的壓力脈動(dòng)，在軸封處分別設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，面朝電機(jī)方向，12點(diǎn)位置為P1，3點(diǎn)位為P2，6點(diǎn)位置為P3，9 點(diǎn)位置為P4。非定常數(shù)值計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.000172414s，其間葉輪旋轉(zhuǎn)3°，即葉輪旋轉(zhuǎn)一圈需要120個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。其中，每個(gè)時(shí)間步的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-5，以定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果為初始條件進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)10圈后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓值呈現(xiàn)穩(wěn)定的周期性，故選取葉輪旋轉(zhuǎn)第11圈的數(shù)據(jù)作進(jìn)行分析。

額定工況下，兩種渣漿泵軸封處壓力脈動(dòng)頻域圖，如圖5所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)渣漿泵軸封處壓力脈動(dòng)幅值明顯高于后吸式渣漿泵。傳統(tǒng)渣漿泵軸封處壓力脈動(dòng)主為6倍軸頻，即葉頻。如前所述，傳統(tǒng)渣漿泵軸封處的壓力為葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生壓力與背葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生反壓之差，而葉輪外緣水體的壓力脈動(dòng)受葉輪葉片與蝸殼隔舌的動(dòng)靜干涉影響，故軸封處的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻。而后吸式渣漿泵軸封處壓力脈動(dòng)主頻為軸頻，次頻為葉頻，這是由于軸封位于葉輪之前，故其靜壓受葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響較小，因此主頻為軸頻。

圖4 兩種方案軸封處?kù)o壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.4 Monitoring Point of the Static Pressure at the Shaft Seal for the Two Cases

圖5 兩種渣漿泵軸封處的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.5 Frequency Domain of the Pressure Pulsation at the Shaft Seal of the Two Slurry Pumps

可以看出，后吸式渣漿泵軸封處的壓力脈動(dòng)較小，且受葉輪內(nèi)部流動(dòng)影響較小，故密封性能好。

3.3 葉輪及蝸殼內(nèi)水體相對(duì)流速

兩種方案葉輪及蝸殼內(nèi)水體的相對(duì)速度矢量圖，如圖6 所示?？梢钥闯?，在額定工況下，兩者內(nèi)部流動(dòng)并無(wú)明顯差異，相對(duì)流速最大處均位于蝸殼第八斷面附近，這是由于蝸殼采用的是環(huán)形蝸殼，隨著蝸殼從第一斷面到第八斷面，流量逐漸增加，而過(guò)流面積不變，故流速增加。

圖6 兩種方案葉輪及蝸殼內(nèi)水體相對(duì)速度矢量圖Fig.6 Vectors of Relative Velocity in the Impeller and the Volute for Two Cases

兩種方案在葉輪遠(yuǎn)離蝸殼的流道中均出現(xiàn)了不同程度的二次流動(dòng)，后吸式渣漿泵中還有一個(gè)流道出現(xiàn)了輕度的二次流動(dòng)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)兩種方案的樣機(jī)進(jìn)行了外特性試驗(yàn)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如圖7所示?？梢钥闯?，在額定工況點(diǎn)，兩種方案數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在2%以內(nèi)，隨著運(yùn)行工況偏離額定工況，兩者誤差增加，尤其是大流量處，但最大誤差在5%以內(nèi)，故可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可信的。此外，從圖中還可以看出，傳統(tǒng)渣漿泵在各工況下的揚(yáng)程及效率均高于后吸式渣漿泵，尤其是大流量工況。

圖7 兩種方案泵外特性曲線Fig.7 Pump Performance Curves of the Two Cases

從圖6已經(jīng)知道兩種方案葉輪流道內(nèi)水體的流動(dòng)情況相似，故其不是兩者外特性出現(xiàn)差異的主要原因。為研究其原因，圖8給出了后吸式渣漿泵三通進(jìn)口內(nèi)水體的速度矢量圖，可以看出三通管道內(nèi)存在大量的沖擊損失，且流量越大，損失越大。此外，在靠近葉輪進(jìn)口附近管道中出現(xiàn)了回流。

圖8 后吸式渣漿泵三通進(jìn)口內(nèi)水體速度矢量圖Fig.8 Vectors in the Inlet of the Slurry Pump with a Back Suction

因此，三通管道內(nèi)水體的沖擊損失及回流是其外特性比傳統(tǒng)渣漿泵差的主要原因。

然而，在額定工況附近，后吸式渣漿泵與傳統(tǒng)渣漿泵的外特性差異不大，考慮到后吸式渣漿泵的密封效果好，使用壽命長(zhǎng)，故在外特性上的損失完全是可以接受的。

5 結(jié)論

這里為提高渣漿泵密封性能，設(shè)計(jì)了一種后吸式渣漿泵，隨后基于ANSYS CFX研究了后吸式渣漿泵的密封性能及其內(nèi)部流動(dòng)，并與傳統(tǒng)渣漿泵進(jìn)行了對(duì)比。

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：后吸式渣漿泵軸封處?kù)o壓受泵運(yùn)行工況的影響較小，且軸封處?kù)o壓較低，脈動(dòng)幅值較小，因此密封性能更好。而由于三通管道內(nèi)存在沖擊損失及回流，后吸式渣漿泵的外特性比傳統(tǒng)渣漿泵略低，尤其是在大流量工況。但考慮到后吸式渣漿泵的密封性能更好，使用壽命長(zhǎng)，故其在外特性上的損失是完全可以接受的。