多级农用离心泵首级口环多物理场耦合分析

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多级离心泵内部各种间隙水体以及叶轮叶片在输送介质压力作用下的形变等因素会造成泵性能参数的改变。

流固耦合力学的重要特征是固体和流体两种介质之间的交互作用 (fluid-solid interaction)：在流体载荷作用下 ，变形固体会产生变形或运动；同时，这种变形以及运动又会导致流场发生变化，进而改变流场内流体载荷的大邪分布等。目前存在的商业软件中，流固耦合分析有3不同的方法：直接耦合、顺序耦合和同步求解。

口环间隙对泵性能影响主要体现在两个方面：①随着 口环间隙的增大，离心泵 内部泄漏量也逐渐变大，容积损失功率增加 ，容积效率降低；② 口环间隙增大可能导致在泵腔内叶轮前后盖板处旋转流态的变化，导致叶轮盖板表面液体摩擦损失功率增大，也就是叶轮圆盘摩擦损失增大 。

为此，采用 CFD及流固耦合技术对其效率等性能参数及叶轮应变进行预测分析 。

1 计算模型及网格划分1.1 物理模型泵的主要技术指标 ：流量 Q280m /h，扬程 H1 520m，转速2 980r/min。根据设计参数应设计成为8级泵，且单级扬程最低不低于 195m。泵流固耦合求解涉及到流惩结构场两方面 J。本文建立的计算中，流场为首级泵内部全三维流场，包括叶轮流道的流体区域和导叶流道的流体区域；结构场主要是叶轮转子 ，包括首级叶轮和与叶轮相连接的泵轴〖虑耦合分析时，只考虑轴、叶轮，其他结构在本分析中将视为无影响因素而忽略。

1.2 网格模型泵叶轮结构 的材料 为 ZG1Crl3Ni，轴的材料为2Cr13，均执行 ASMEA217标准。为使模拟变形效果比较明显，在选取材料属性时使用了材料属性稍柔性的结构钢来替代泵叶轮及轴的材料进行分析，以观察到更为明显的变形情况。具体材料特性参数，如表 1所示。

表 1 材料属性2 流固耦合计算过程收稿 日期：2012-10-19叶轮选择周期为 020 228.s， 篓 。

金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAB03A02)；典型离心泵关 步，1个周期内共有20个时间步。为了能够模拟比较键技术研究及工 示氅 尸 B，A F14B 03) . 稳定的旋转工况，-般取叶轮旋转5-7周即可。本 作者简介。### 26 nel(196 男安徽望江人教授 ng 芰 轮 7。周 7 l40步，总旋转时间为 3. t 入 。l l寸[1 -r J ，HJ' 、 肌 1 ”J l-J/· 32·201 3年 7月 农 机 化 研 究 第 7期眶(C) 不考虑口环I司隙水体及叶轮叶片形变图2 叶轮及导叶水体内在 t0.1 s时瞬态内部流场速度分布3.2 额定工况下瞬态性能对比分析针对考虑耦合及间隙水体、仅考虑间隙水体和不考虑耦合和间隙水体3种情况，现在分布称为方案 1、方案2和方案3。额定工况3种方案瞬态扬程性能对比如图3所示。

l i .，t . 却。 llllf ll I-t1， 觅 O 0.025 0.050 0.075t/S图 3 额定 工况 3种方案 瞬态扬程性能 对比由图3可以看出，相比方案 3，方案 1和方案 2扬程均有大约5～6m降低，而方案 I相对方案2扬程也有微械低；但是从宏观上讲基本不大，也就是说叶片形变对扬程的影响很小，可以忽略。而间隙水体对扬程影响比较宏观，在实际中可以通过减小 口环间隙的办法来对泵的扬程进行微调提高。额定工况3种方案瞬态功率对比如图4所示。

通过图4可以发现，在考虑间隙水体情况下，泵的额定功率相对升高，说明泄露以及圆盘摩擦阻力对泵功率有较明显影响，降低口环间隙，能够减少这部分的功率损失。

图5给出了3种方案下得瞬态效率对比，不考虑间隙水体及耦合叶片变形作用下，泵的效率可以达到78%左右；但是在考虑间隙水体时，泵效率立刻降低到了73.6%作用。而叶片形变对效率影响相比方案2只有0.4%左右的降低，说明圆盘摩擦阻力及泄露对泵效率有很大影响。

- 7fJJ正：0 0.025 0.050 0.075 0.IO0 0.125 0.150t/s图4 额定工况 3种方案瞬态功率对比J L， ·ff .1 -0- 蠹U U.U2b U.UbU 0.07b 0.IU 0.1Zb 0.150t/s图5 额定工况 3种方案瞬态效率对比从以上对比分析说明，实际中应尽量避免大 口环间隙的情况，当然并不是说 口环间隙越小越好≮环间隙小，不仅要求更高的加工工艺，也可能造成叶轮与口环之间磨损加大等情况。

4 结论采用 ANSYS Workbench平台的流固耦合技术，添加口环间隙水体影响因素、叶片结构变形因素，对泵首级单级进行分析，分析在这两种 因素影响小泵性能♂果表明，口环以及叶轮与导叶、叶轮与前盖板间隙水体对泵性能影响较明显，尤其是大 口环间隙情况下，会降低泵的效率，增加泄漏损失和圆盘阻力损失 ，同时增大功耗，扬程也会随口环间隙增大而减校实际运行中应尽量避免 口环间隙过大情况的出现，对于使用中磨损较严重的口环，应及时更换。