广一泵丨探讨离心泵叶轮背叶片宽度对平衡轴向力影响

1、计算模型及方法
要定量计算离心泵轴向力，只有通过求解泵腔中粘滞流动的动力学方程才能得到定量结果，了解内部流场的流动情况，然而，目前这种想法还难以从理论上得以实现。如果采用传统的“设计-试制-试验-改进”水力设计方法，那将耗费很多的人力、物力和财力。随着计算流体力学和相应计算软件的发展，用数值模拟方法研究离心泵内过流部件流场，已成为改进和优化离心泵部件的重要手段。
要进行离心泵内部流场的三维数值模拟，第—步要对流场区域利用相应的CAD软件进行三维造型，造型之后才能对流体区域划分网格进行流场空间的离散，后将设定完边界条件的网格模型导人CFD软件利用合理的求解器进行模拟计算。本文选取带有背叶片结构的IH100-65-250化工离心泵作为研究对象，利用SolidWorks对5种不同背叶片宽度的三维实体进行分组建模，三维造型图如图3。
本文中，由于需要对广一水泵厂离心泵进行整机计算，几何模型比较复杂，网格化分采用分块划分网格的方法，分成吸水管段、叶轮流道、蜗壳区域和泵腔区域四块分别划分网格。其中吸水管段采用结构化六面体网格划分节省计算资源；对于计算区域空间复杂的叶轮，采用适应性很强的非结构化四面体网格划分；对于蜗壳区域，则采用结构化和非结构化结合的混合网格划分；对于泵腔段，由于口环间隙虽然体积不大，但是面积却不小(一个方向尺寸很小），所以这里存在一个技术上的难题：口环区域非常小的网格与主流域相对很大网格的衔接问题，如果处理不当，会造成网格数量过多，现有PC机无法承受。为了克服困难，这里采用局部网格加密技术，完成网格划分后的离心泵流体域如图4所示。流体域划分后网格的数量为叶轮区域20万左右，泵腔区域30万左右，蜗壳区域十几万，总数不超过70万，非常适合计算。
2、计算结果与分析
广一泵以不可压缩流体清水为工作介质，以Fluent为计算软件，选用RNGk-e湍流模型，标准壁面函数、一阶迎风离散格式和SIMPLE计算方法模拟不同背叶片叶片宽度下离心泵内部流场的定常流动，图5列出了5种方案下离心泵工作在x=0的内部静压力分布和速度分布图。
图5为不同背叶片宽度(t)下离心泵后泵腔y=-12mm轴截面处的静压云图（左）和x=0截面的速度云图（右）。由左图可以看出，此区域静压等值线基本成环形分布，圆环中心部分为低压区域，背叶片顶端为高压区，静压沿着径向呈线性增大。背叶片叶片宽度越大，区域内流体的静压变化越强烈，低压区域面积也就越大。从右图可以看出，背叶片叶片宽度对离心泵整体流场的影响较小，但是对后泵腔区域内流体的影响非常大，随着背叶片叶片宽度的增加，后泵腔流体整体速度明显在增加。
图6为背叶片叶片宽度t和泵扬程、效率的关系图，由图可知，当背叶片叶片宽度t从2mm增大到5.5mm时，离心泵的扬程和效率总体变化有一定的规律。随着叶片宽度的增大，扬程逐渐上升，而效率先下降后上升，效率低点（转折点）出现在t=4.5mm~5mm之间。扬程曲线在到达转折点前的变化比较平缓，转折点之后，扬程急速上升。
扬程的变化趋势可能由于背叶片强制带动后泵腔内流体转动，广一水泵叶片的直接作用使得后泵盖到背叶片外壁内的流体获得了比较大的角速度，而背叶片外壁到泵盖区域的流体只受到转动部分流体的流动剪切力而产生一定的角速度。但是如果叶片宽度减小到一定值，即背叶片外壁和泵盖的间隙非常小时，流体受到背叶片外壁的作用力可以满足这部分流体与背叶片一起以相同的角速度做旋转运动。
效率的变化趋势说明背叶片叶片宽度越大，离心泵内液体的水力损失和圆盘摩擦损失越大，液体回收的能量没有损失的能量多，造成轴功率快速增大，所以导致效率下降。
从曲线的变化形状来看，在轴间距s取定值(=6mm)时B寸，背叶片叶片宽度跟轴向力近似成线性负增长关系，即叶片宽度越大，轴向力越小，则背叶片平衡轴向力的效果越好。从图中还可以发现，叶片宽度t≈5.2mm时，轴向力为零，之后轴向力小于零，即离心泵出现负轴向力现象。
所以，叶片宽度是影响背叶片平衡轴向力性能的一大重要因素，叶片宽度的取值必须要恰当。一般来说，在不考虑轴封的情况下，叶片宽度只要能够满足平衡轴向力的要求，取值越小越有利于离心泵的总体性能。而且叶片宽度的取值还要考虑到背叶片与泵盖间隙的大小，通常情况下，取4.5mm~5.5mm范围内的某个值较为合理。
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