萬(wàn)恣華1 董小杏2 劉明東1 王和順1 朱維兵1 張車(chē)寧 賈紅云

(1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川成都 610039；2.成都師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院 四川成都 611130；3.四川日機(jī)密封件股份有限公司 四川成都 610046)

在石油、化工、核能等領(lǐng)域，機(jī)械密封因密封性能可靠，維修周期長(zhǎng)，維護(hù)成本低，使用壽命長(zhǎng)，性能參數(shù)高而大量使用，它對(duì)整臺(tái)機(jī)器設(shè)備和整個(gè)工廠的安全生產(chǎn)影響非常大[1]。為帶走機(jī)械密封工作過(guò)程中密封端面間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，以及機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)件對(duì)液體的攪拌作用產(chǎn)生的攪拌熱，密封裝置的腔體中間常加注封液(緩沖液或隔離液)，用螺旋式泵效環(huán)促使封液循環(huán)流動(dòng)，以冷卻密封端面，保障密封端面上流體膜的穩(wěn)定性，并阻止固體顆粒和雜質(zhì)堵塞在密封腔中，減少磨損和密封零件失效的可能，進(jìn)而延長(zhǎng)機(jī)械密封使用壽命。例如，密封沖洗API23方案、52方案、53方案等[2-4]。雖然螺旋式泵效環(huán)已成功在工業(yè)應(yīng)用，但關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵送性能的影響研究鮮有報(bào)道。

本文作者以某型螺旋式泵效環(huán)為研究對(duì)象，改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Fluent 對(duì)泵效環(huán)和過(guò)渡座之間的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并用MATLAB獲得泵效環(huán)的流量-揚(yáng)程關(guān)系曲線，對(duì)泵效環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其泵送性能的影響進(jìn)行研究。

1 螺旋式泵效環(huán)幾何模型及其網(wǎng)格的生成

1.1 螺旋式泵效環(huán)幾何模型的建立

螺旋式泵效環(huán)泵送原理類(lèi)似螺桿泵，在泵效環(huán)的外表面加工有螺紋，隨著泵效環(huán)的旋轉(zhuǎn)，其螺紋帶動(dòng)螺紋槽內(nèi)封液旋轉(zhuǎn)，在慣性作用下，螺紋槽內(nèi)封液與螺紋槽產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促使封液向一側(cè)運(yùn)動(dòng)[5-6]。

研究的螺旋式泵效環(huán)的外表面加工出12頭螺紋，其泵效環(huán)長(zhǎng)40 mm，外徑78 mm，螺旋槽軸向槽寬3.5 mm，螺距5.5 mm，螺紋齒高(槽深)3.5 mm，泵效環(huán)外徑與過(guò)渡座內(nèi)徑間隙為0.5 mm。泵效環(huán)的主要工況：流量Q=8 L/min，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min。圖1所示為螺旋式泵效環(huán)的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 螺旋式泵效環(huán)三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)格的生成

泵效環(huán)外表面與過(guò)渡座內(nèi)壁面所構(gòu)成的空間為流體流動(dòng)區(qū)域，將此區(qū)域作為文中的計(jì)算區(qū)域。為便于分析研究，將計(jì)算區(qū)域分為動(dòng)域和靜域2部分，如圖2、3所示。根據(jù)泵效環(huán)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)特性可知，圖2所示流域的流體在泵效環(huán)螺紋槽內(nèi)隨泵效環(huán)旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，將其稱(chēng)為動(dòng)域，圖3所示流域的流體相對(duì)于動(dòng)域是靜止的，故稱(chēng)其為靜域[7]。

圖2 動(dòng)域

通過(guò)ICEM對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)交界處利用Interface進(jìn)行連接，對(duì)計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口和出口適當(dāng)做出延伸，以減小在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)口及出口位置對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響[8-9]。計(jì)算區(qū)域的三維造型及網(wǎng)格的劃分如圖4所示。

圖4 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格的疏密對(duì)數(shù)值計(jì)算影響很大，文中在流量Q=8 L/min，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min工況下得到的網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算結(jié)果如表1所示。網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，網(wǎng)格數(shù)量定為221 056。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)下的計(jì)算結(jié)果

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 邊界條件

使用Fluent進(jìn)行求解，計(jì)算模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁面區(qū)域進(jìn)行處理，流體材料選用20 ℃的水，其密度為998.2 kg/m3。泵效環(huán)進(jìn)口邊界條件設(shè)置速度進(jìn)口，速度由公式：u=Q/A計(jì)算得出，其中Q為流量，A是進(jìn)口截面積，出口邊界條件設(shè)置自由出流。求解時(shí)，動(dòng)域設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考系，靜域則保持默認(rèn)值，將與動(dòng)域接觸的所有壁面設(shè)定為移動(dòng)壁面，其他壁面邊界條件采用無(wú)滑移固定壁面。壓力和速度場(chǎng)耦合采用SIMPLIC算法，迭代計(jì)算使用二階迎風(fēng)差分格式。

2.2 數(shù)值模擬

利用Fluent對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋式泵效環(huán)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)，流量分別在 2、3、4、5、6、7、8、9 和 10 L/min 9種工況下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)Fluent軟件中surfaces Integral表面積分功能，得到泵效環(huán)的進(jìn)口和出口壓力，泵效環(huán)進(jìn)出口的壓差即為流體的推動(dòng)力，根據(jù)其差值與泵送揚(yáng)程的關(guān)系，得到揚(yáng)程的計(jì)算公式[10]：

(1)

式中：p1和p2分別為泵效環(huán)進(jìn)口和出口壓力。

2.3 壓力分布

通過(guò)Fluent對(duì)螺旋式泵效環(huán)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到轉(zhuǎn)速在3 000 r/min、流量在8 L/min下泵效環(huán)內(nèi)部流域靜壓分布云圖如圖5、6所示。可見(jiàn)，泵效環(huán)的靜壓力分布是沿著螺旋方向即流體流動(dòng)方向逐漸增大，并且與螺紋槽螺旋方向吻合，在出口區(qū)域呈現(xiàn)最大靜壓力，且壓力梯度分布較均勻，這表明螺旋式泵效環(huán)產(chǎn)生了泵送效應(yīng)，具有較強(qiáng)的泵送能力，足以使封液循環(huán)流動(dòng)帶走熱量以冷卻潤(rùn)滑密封裝置。在螺旋式泵效環(huán)進(jìn)口端出現(xiàn)部分負(fù)壓區(qū)域，是因?yàn)楸眯Лh(huán)在旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)封液有剪切和擠壓作用，使封液進(jìn)入泵效環(huán)的螺紋槽內(nèi)時(shí)速度有一個(gè)一定角度的轉(zhuǎn)彎，封液被吸進(jìn)高速旋轉(zhuǎn)的泵效環(huán)螺紋槽內(nèi)，后進(jìn)入的封液來(lái)不及補(bǔ)充前面封液被吸走時(shí)留下的空隙，造成了負(fù)壓的產(chǎn)生，在螺紋槽入口槽根底部處壓力最低。螺旋式泵效環(huán)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)的部位容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。由于Fluent壓力顯示中靜壓表現(xiàn)為一個(gè)相對(duì)于操作壓力的相對(duì)值，文中計(jì)算采取的操作壓力為1.01×105Pa，此處負(fù)壓是相對(duì)于操作壓力1.01×105Pa而言。

圖5 泵效環(huán)工作表面靜壓力分布云圖

圖6 過(guò)渡座內(nèi)表面靜壓力分布云圖

3 泵效環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)泵送性能的影響

3.1 螺紋頭數(shù)對(duì)泵送性能的影響

轉(zhuǎn)速設(shè)定在3 000 r/min，通過(guò)適當(dāng)改變螺紋頭數(shù)(螺紋頭數(shù)分別取8、10、12、14、16)而保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)泵送性能進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)過(guò)Fluent計(jì)算并后處理得到泵效環(huán)進(jìn)出口壓力，代入揚(yáng)程計(jì)算公式(1)計(jì)算出揚(yáng)程，利用MATLAB得到泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線[11]，如圖7所示。在5種不同螺紋頭數(shù)下的揚(yáng)程變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨著流量的增大而減?。浑S著螺紋頭數(shù)的增加泵效環(huán)揚(yáng)程變化趨于平緩，且隨著螺紋頭數(shù)的增加泵效環(huán)揚(yáng)程先增加后減小，在10～14頭范圍內(nèi)達(dá)到最大。在5種不同螺紋頭數(shù)下，在流量2～5 L/min范圍內(nèi)螺紋頭數(shù)為10時(shí)泵效環(huán)揚(yáng)程最高，在流量5～10 L/min范圍內(nèi)螺紋頭數(shù)為12時(shí)泵效環(huán)揚(yáng)程最高，且螺紋頭數(shù)為12時(shí)泵效環(huán)揚(yáng)程隨流量變化更平緩，故在文中條件下泵效環(huán)螺紋頭數(shù)12為該泵效環(huán)的最佳值。

圖7 不同螺紋頭數(shù)下泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比

3.2 螺旋槽軸向槽寬對(duì)泵送性能的影響

轉(zhuǎn)速設(shè)定在3 000 r/min，通過(guò)適當(dāng)改變螺旋槽軸向槽寬(螺旋槽軸向槽寬分別取2、3、3.5、4、5 mm)而保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)泵送性能進(jìn)行計(jì)算分析，得到泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線如圖8所示。在5種不同螺旋槽軸向槽寬參數(shù)下的揚(yáng)程變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨著流量的增大而減小；隨著螺旋槽軸向槽寬的增加泵效環(huán)揚(yáng)程變化趨于平緩。隨著螺旋槽軸向槽寬的增加泵效環(huán)揚(yáng)程先增加后減小，且揚(yáng)程的變化幅度較明顯，即螺旋槽軸向槽寬對(duì)泵效環(huán)揚(yáng)程影響比較明顯。在5種不同螺旋槽軸向槽寬參數(shù)下，在流量2～10 L/min范圍內(nèi)，螺旋槽軸向槽寬為3.5 mm時(shí)泵效環(huán)揚(yáng)程最高，故在文中條件下泵效環(huán)螺旋槽軸向槽寬3.5 mm為最佳值。

圖8 不同軸向槽寬下泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比

3.3 螺旋槽槽深對(duì)泵送能力的影響

轉(zhuǎn)速設(shè)定在3 000 r/min，通過(guò)適當(dāng)改變螺旋槽槽深(螺旋槽槽深分別取2、3、3.5、4、5 mm)而保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)泵送性能進(jìn)行計(jì)算分析，得到泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線如圖9所示。在5種不同螺旋槽槽深參數(shù)下的揚(yáng)程變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨著流量的增大而減小。隨著螺旋槽槽深的增加泵效環(huán)揚(yáng)程增加，但增加趨勢(shì)趨于平緩。在螺紋槽深3.5～5 mm范圍內(nèi)，隨著螺旋槽槽深的增加，揚(yáng)程增加已很小，故在文中條件下泵效環(huán)螺紋槽深在3.5～5 mm內(nèi)取值較合理。

圖9 不同槽深下泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比

3.4 間隙對(duì)泵送性能的影響

轉(zhuǎn)速設(shè)定在3 000 r/min，通過(guò)對(duì)泵效環(huán)外徑與過(guò)渡座內(nèi)徑之間的間隙進(jìn)行適當(dāng)修改而保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)泵送性能進(jìn)行計(jì)算分析。圖10示出了間隙分別為0.1、0.3、0.5、0.7、1 mm時(shí)的泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線。在5種不同間隙參數(shù)下的揚(yáng)程變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨著流量的增大而減小。在最小流量2 L/min工況下，間隙0.1 mm時(shí)揚(yáng)程為3.40 m，間隙為1 mm時(shí)下降到1.01 m；在最大流量10 L/min工況下，間隙0.1 mm時(shí)揚(yáng)程為2.60 m，在間隙達(dá)到1 mm時(shí)泵效環(huán)揚(yáng)程降到0.69 m，泵送能力基本喪失。

圖10 不同間隙下泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比

揚(yáng)程隨間隙變化而變化幅度較明顯，即泵效環(huán)外徑與過(guò)渡座內(nèi)徑之間的間隙對(duì)泵效環(huán)揚(yáng)程影響比較明顯。根據(jù)Fluent計(jì)算結(jié)果，隨著間隙的減小進(jìn)口端負(fù)壓明顯增加，即負(fù)壓更低，更容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象；另外，間隙越小，加工和安裝難度越大，更容易受干擾而傷害零件，故在文中條件下泵效環(huán)外徑與過(guò)渡座內(nèi)徑之間的間隙在0.1～0.3 mm內(nèi)取值較為合理。

3.5 螺旋長(zhǎng)度對(duì)泵送性能的影響

轉(zhuǎn)速設(shè)定在3 000 r/min，通過(guò)適當(dāng)修改螺旋槽的螺旋長(zhǎng)度而保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)泵送性能進(jìn)行計(jì)算分析。圖11示出了螺旋長(zhǎng)度分別為30、40、50 mm時(shí)泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線。在3種螺旋槽螺旋長(zhǎng)度參數(shù)下的揚(yáng)程變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨著流量的增大而減小，隨著螺旋槽螺旋長(zhǎng)度的增加泵效環(huán)揚(yáng)程增加。但隨著螺旋槽螺旋長(zhǎng)度的增加泵效環(huán)揚(yáng)程增加變小，故泵效環(huán)螺旋槽螺旋長(zhǎng)度應(yīng)該在有限空間內(nèi)合理選擇最長(zhǎng)值。

圖11 不同螺旋長(zhǎng)度下泵效環(huán)流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比

4 結(jié)論

(1)以某型螺旋式泵效環(huán)為研究對(duì)象，利用Fluent 對(duì)泵效環(huán)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析表明螺旋式泵效環(huán)產(chǎn)生了泵送效應(yīng)，具有較強(qiáng)的泵送能力，泵送效果明顯。

(2)隨著螺紋頭數(shù)的增加，泵效環(huán)揚(yáng)程先增加后減??；螺旋槽軸向槽寬對(duì)螺旋式泵效環(huán)泵送能力影響比較明顯，隨著槽寬的增加，泵效環(huán)揚(yáng)程先增加后減小，揚(yáng)程的變化幅度較明顯；隨著螺旋槽槽深的增加，泵效環(huán)揚(yáng)程增加，但增加并不大；隨著螺旋槽螺旋長(zhǎng)度的增加，泵效環(huán)揚(yáng)程增加，但增加趨勢(shì)變小。

(3)泵效環(huán)外徑與過(guò)渡座內(nèi)徑之間的間隙對(duì)螺旋式泵效環(huán)泵送能力有明顯的影響，隨著間隙的減小，泵效環(huán)揚(yáng)程明顯變大。但隨著間隙的減小，泵效環(huán)在進(jìn)口端負(fù)壓明顯增加，更容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，且間隙越小，加工和安裝難度越大，更容易受到干擾而傷害零件。