级间间隙对新型井泵性能的影响

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Influence of inter-stage seal clearance on performanceof new-type well pumpShi Weidong ，Wang Chuan ，Si Qiaorui ，Xu Jing ，Lu Weigang(1.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China2.School of Management，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)Abstract：In order to explore influence of inter-stage seal clearance on the performance and flow fieldof muhistage well pumps.a new-type well pump QS-40-30-5.5 was taken as the investigationmodel；the whole flow field in the pump with diferent seal clearances were stimulated with Fluent。

Effects of the clearance on the overall performance and internal fluid flow field in the pump were ana-lyzed.The results showed that the head and eficiency of the pumps are reduced，while the shaft-powerrenlains unchanged with increasing clearance at the same flow rate. A stream of liquid in the guidevane exit flows back into the impeller hub along the inter-stage seal clearance and then it moves intothe guide vane through the side chamber between the impeller and the guide vane，causing a distur-bance in the flow at the guide vane exit and the entrance to the next stage impeller，which increases thehydraulic losses and degrade the pump performance.The experimental results of the prototype of thepump show the best eficiency point Occurs at a lower flow rate than the specifed one，but it is still inaccord with the National Pump Test Standard of China.Because the impeller disc friction loss and theleakage loss through the inter-stage seal clearance have been involved in the computational model，theestimated performance by CFD is in very good agreement with experiments(error is less than 1%)，收稿 日期：2012-04-12基金项目：安徽省自然科学基金资助项 目(1 1040606M107)；江苏高校优势学科建设工程项曰；江苏省普通高校研究叶：科研创新计划项目(CXLX12 0642)；作者简介：施卫东(1964-)，男，江苏知东人，研究员，博士牛导师(wdshi###ujs.edu.cn)，主要从事流体饥械及工程研究。

fJ 987-)，男，湖北鄂州人，博士研究生(通信作者，wangchuan198710###126.COIl1)，主要从事泵理论 j设计研究。

confirming the validity of CFD numerical simulation approach.Those results might be instructive foroptimal design of new-type wel pumps，especially whose impellers are designed by means of the impel-ler diameter maximization method。

Key words：well pump；inter-stage clearance；internal flow field；performance；numerical simulation作为拙取深井地下水 的主要设备，井用潜水泵被广泛应用于农 田灌溉与矿山开发.由于深井内径越小，其打井费用就越低，所以井用潜水泵是- 种对泵体外径有特别 限制的细长型的多级离心泵。

由于泵中各处液体的压强并不相 同，则高压区的液体会经过泵内的间隙流向低压区.在多级节段式水泵中，后-级叶轮的吸入口处的液体 ，经过级问隔板处的间隙流人前-级叶轮的后泵腔，压强降低，造成容积损失，文中所研究的新型井泵是多级节段式水泵的-种 ，其级问泄漏属于上述情况 。

级问间隙的存在不仅会产生泄漏损失，而且改变了离心泵内部流动结构，对整机的性能产生重要的影响.由于问隙较小，泵 内部流动极其复杂，因此。以往只足基于试验的方法研究间隙对整机性能的影响.随着计算流体动力学方法的不断发展与完善，利用 CFD软件对包含级问间隙的整机流动进行深入研究变得叮行 .文中应用 Fluent软件对不同级日间隙下的模型泵进行全流场数值模拟，以研究级l1：J间隙对多级井泵性能及流场的影响。

1 水泵几何模型研究对象为采用叶轮极大直径法设计的 QS-40-30-5.5新型井泵，该泵基本设计参数分别为Q 40 m /h，单级扬程 H：15 m(共 2级)，转速n2 850 r/min，经计算得其比转数 n 143。

针对深井离心泵外径受井径限制的条件，陆伟刚等研究了-种深井离心泵叶轮极大直径设计法，该方法将叶轮前盖板直径扩大至泵体内壁边缘，使叶轮直径在相应的井径条件下达到极大值 ，与反 导叶配套，可以使泵体轴向长度减短至极小值.图 1为新型井泵装配示意图.在-般的水泵设计中，叶轮直径是根据水泵性能要求进行计算得到的，但新型井用潜水泵的性能只规定了额定流量(即规定效率指标的额定工况的流量)，不规定单级扬程的额定值，并希望单级扬程旧能高，以减少井泵级数，降低 成本。

图 1 新型井泵装配示意图Fig.1 Assembly drawing of new-type well pump导叶的水力设计采用进 口边扭曲的反导叶设计法，压力面分 3条流线计算，最后拟合成光滑的空间曲面.通过 Pro/E造型，得到叶轮与导叶模型如图2所示。

(a)叶轮 (b)导叶图 2 叶轮 导叶Fig.2 Impeler and guide vane2 模型数值计算2.1 计算区域确定文中对真实的两级全流厨行数值模拟，计算区域包括进口段、两级叶轮水体、两级导叶水体 、两级泵腔水体及出口段组成，其中把间隙水体加在泵腔水体上，计算模型如图3所示。

讲 1段 叶轮体 泵 腔7k体 1日1隙7K体 导叶体图3 两级全流称算模型Fig.3 Computation model of two-stage pump2.2 网格划分采用 Fluent前处理软件包 Gambit完成模型的网格生成.由于级问间隙水体的尺寸较小，；I己用较I 629 l 小的网格尺寸对间隙水体表面划分面网格，再采用混合网格对整个水体划分体网格。

理论上，模型的网格数越大，由网格引起 的求解误差会越小4 J.但是网格越多，计算速度就越慢 ，因此考虑计算机的配置要求及计算时间，网格数不能过大.针对级问间隙 b0.4 Hlm 的计算模型，文中选择5种不同尺寸的网格进行额定工况下的数值模拟，计算结果如表 1所示.表中s为网格尺寸，JV为网格数，卵为效率。

表 1 网格无关性分析Tab.1 Grid independence analysis由表 1可以看出：当网格数较小，即网格尺寸较大时，效率波动较大；当网格尺寸小于 2.0 mil以后，计算得到的泵额定效率波动小于0.1%，趋于稳定.文中采用尺寸为2.0 mm的网格进行研究。

2.3 边界条件设置模型进口采用速度进 口(velocity inlet)，根据设计流量与进口向积求得进 L1速度；模型出口采用自由出流(outflow)，假定模型出口边界上的流动充分发展，此处上游流动对下游流动的影响起绝对作用 。；固壁上满足无滑移条件，即相对速度 0；压力取为第二类边界条件，即I)p/an0.采用有限体积法进行方程离散，压力 -速度耦合采用 SIMPLE算法，对流项的离散采用-阶迎风差分格式；选取标准 - 湍流模型；收敛依据为所有变量残差绝对值小于 10～，进出口压力稳定 。

3 计算结果与分析3.1 数值计算正确性验证由于计算模型包括了前后盖板腔体，从而涵盖r叶轮的圆盘摩擦损失；叶轮进 口采用端面密封，叶轮轴孑L与泵轴采用滑动配合，使叶轮工作时的泄漏损失最小；计算时考虑级间问隙泄漏以及过流部件表面粗糙度的影响，而没有考虑轴承、密封装置的机械损失等因素。

为了验证数值计算的正确性，对级间间隙 b0.4 H1H1的模型制作成样机，并在江苏大学开式水泵试验台进行性能测定，结果表明泵运行良好，从而得到模型泵(2级)的试验数据，同时在 4个工况(Q24，32，4(，48 HI /h)下对模型进行了全流场数值模拟，其性能计算值与试验值对比如图4所示.可以看出：在额定流量及大流量工况(1.2Q. )下，计算值与试验值 吻合较好，偏差小于 1%；在小流量工况(0.6Q )下，由于叶轮及导叶等过流部件内的流体产生脱流，导致流场发生紊乱，此时模拟流场与实际流场并不符合，计算值与试验值之间偏差在 5%左右，但变化趋势相同，即在同-设置参数下模拟效率较高的模型泵其试验效率也较高.此外，该泵的最高效率点在0.8Q 左右，但在额定工况下，泵的试验效率达到 71.38%，超过了 70% 的国家标准(GB/T 2816-2002).因此，基于全流场的数值模拟其正确性较高，可以代替部分试验进行泵的性能预测。

图4 模型计算与样机试验结果对比Fig.4 ResuLts comparison between modelcomputation and prototype test3.2 不同间隙的外特性分析针对不同的级问间隙(b0，0.2，0.4，0.6，1.0mm)，分别对 5个工况点 (0.6Q 0.8Q 1.0Q1.2Q ，1.4Q )进行了数值模拟，得到了泵的外特性曲线及内部流称算结果.表 2，3，4分别为不同级问问隙下泵的扬程 、效率 7及轴功率 P的对比值。

表 2 扬程对 比Tab.2 Comparison of head HI. b/mmQ/(nl3h )- -- --l -- - 110数值模拟及样机试验，通过对比发现，采用全流场的数值模拟值和试验值的误差小于 1%，验证了全流场数值模拟方法的正确性。

2)通过对不同级问间隙的模型进行数值模拟，发现在同-流量时，随着间隙的增大，泵的单级扬程及效率均有所降低，而轴功率基本保持不变，其中单级扬程变化的最大幅度为0.43 1TI，效率变化的最大幅度为2%。

3)通过分析泵的内部流场，发现级间泄漏会对流动产生负面影响，导叶出口处的液体通过级间间隙回流到导叶进 口，在此过程中会产生-些旋涡，从而对泵的内部流动产生负面影响，这在另-方面验证了级问泄漏会导致泵的性能下降。