川崎前锋对战悉尼fc:機械密封用錐形葉片式泵效環泵送能力研究

機械密封 賀鵬程 昆明理工大學化學工程學院

大宫松鼠vs川崎前锋 www.lpfxlz.com.cn

  利用離心泵理論,對一種機械密封用錐形葉片式泵效環的性能進行理論分析,并利用CFD軟件對泵效環的性能進行數值模擬,獲得泵效環鄰域流場的壓力分布,給出泵效環泵送能力的理論分析表達式即揚程表達式,分析泵效環轉數和葉片數對其泵送能力的影響。理論分析結果和數值模擬結果基本一致,確認模型的合理性。隨著泵效環轉數和葉片數的增加,其泵送能力相應增加,但是隨著葉片數的增加,空化空蝕現象會更易發生。

  在過程工業中,為了防止流體泄漏,絕大部分輸送液體介質的旋轉設備采用機械密封。在目前的機械密封技術中,一種阻止泄漏的最有效方式是采用雙端面機械密封,它在兩個密封端面的腔體中間,加注了隔離液或緩沖液(以下簡稱封液),用于潤滑和冷卻密封端面,從而延長機械密封使用壽命。封液在機械密封系統里循環流動以達到冷卻潤滑的目的,目前使封液循環流動的裝置有3種:外置泵送裝置、封液熱對流虹吸系統和內置泵送裝置(泵效環)。外置泵送裝置即在系統管路中加循環泵,這種方式涉及耐壓、密封和防爆等問題,運行成本高,能耗大,一般不采用這種方式。而單純的熱對流系統虹吸系統,需要一定的溫差才能實現循環,循環速度慢,其循環效果及散熱效果不是很理想。真空技術網(//www.lpfxlz.com.cn/)認為合理設計的內置泵效環系統結構簡單,循環效果明顯,是目前廣泛使用的封液循環裝置。

  目前常用的泵效環有離心式和螺旋式2種。離心式泵送環工作機制類似離心泵。螺旋式泵送環在旋轉時,其上的螺紋帶動槽內的介質轉動,由于慣性的作用,使螺紋槽與槽內介質形成相對運動,促使封液向一定方向運動。

  本文作者以一種錐形葉片式泵效環為研究對象,利用CFD軟件Fluent對泵效環鄰域流場進行模擬計算,分析泵效環的泵送能力,并與理論結果進行對比。

1、泵效環作用原理及幾何模型

  1.1、泵效環作用原理

  帶有錐形泵效環的雙端面機械密封系統如圖1所示。其泵效環為錐形葉片式結構,安裝在旋轉件上,隨機械密封動環的旋轉而旋轉,帶動封液循環流動。

帶有泵效環的雙端面機械密封

圖1 帶有泵效環的雙端面機械密封

  所研究的泵效環有一定的錐角,由一系列的直葉片置于錐體的外側,葉片與葉片之間的槽區相當于葉輪流道,如圖2所示。封液從泵效環的小端入口進入,機械密封旋轉,則泵效環隨之旋轉,根據離心泵的工作原理,2個葉片之間的液體受到離心力的作用被甩出,葉片的轉動增加了液體的推力。

泵效環端面幾何結構示意圖

圖2 泵效環端面幾何結構示意圖

  1.2、幾何模型及其網格的生成

  所研究的泵效環基于離心泵原理,主要的設計參數為:流量Q=6L/min,轉速n=3000r/min,揚程H=1.53m,葉片為等厚度,直葉片形式,葉片數為12,泵效環外徑與密封腔內徑間隙為1.5mm。為了防止在網格劃分過程中,整體網格質量不高而導致的數值計算結果精度不高甚至錯誤的現象,選擇整個流動區域的1/12作為計算區域。

  計算網格的劃分采用GAMBIT軟件,應用非結構化網格對整個計算區域進行劃分。為了減小在計算過程中進口及出口位置對計算區域的影響,計算區域的進口和出口適當作了一定的延伸。計算區域的三維造型及網格劃分圖如圖3所示。

計算區域及網格劃分

圖3 計算區域及網格劃分

  1.3、邊界條件

  計算采用FLUENT軟件,選擇k-ε湍流模型,以水作為流體材料,進口邊界條件采用速度進口,出口采用壓力出口邊界條件。設置旋轉參考系,將流體流動區域設置為轉動參考系,將泵效環表面和密封腔內壁面設置為移動壁面,其他壁面采用無滑移固壁邊界條件。計算域的左右兩個邊界使用周期性邊界條件。求解方法采用SIMPLIC算法,使用二階迎風差分格式進行迭代計算。

  1.4、性能預測

  應用FLUENT的表面積分功能,可得到泵效環的進口和出口總壓,泵效環進出口產生的壓差即為流體的推動力,根據其差值可得到相應的泵送揚程。其計算公式如下:

H=p2-p1ρg(1)

  式中:p2和p1分別為泵效環出口和進口壓力。

3、結論

  (1)基于離心式泵的原理,設計了一種錐形離心式泵效環,利用FLUENT軟件對泵效環工作面的壓力分布進行了模擬。模擬結果表明,泵效環產生離心壓力,具有一定的泵送能力;在高轉速下泵效環更易發生空化空蝕現象。

  (2)泵效環的數值計算結果與理論分析結果具有較小的誤差,且符合離心泵葉片進出口角度90°情況下的流量揚程特性,證明了所建立的模型的正確性。

  (3)轉速增加,泵效環的泵送能力相應的增加;泵效環葉片數增加,對流體的推動力也會增加,泵效環具有更強的泵送能力,但是隨著葉片數的增加,空化空蝕現象也會更易發生。

  更多機械密封相關技術文章://www.lpfxlz.com.cn/mechanical-seal/。