基于CFD的离心泵浮动叶轮轴向力计算及平衡分析

左岸风尘

基于CFD的离心泵浮动叶轮轴向力计算及平衡分析

摘要：离心泵在高速运转的时候会产生较大的轴向力，生产实践中减小轴向力是决定离心泵稳定运行和寿命的决定性因素。准确了解泵的轴向力并且掌握其变化规律，才能恰当选择平衡机构以及轴承等零部件，提高泵的可靠性，所以在离心泵设计和运行阶段采取适当方法确定轴向力是很重要的。通过对浮动叶轮自动平衡轴向力装置的分析，简化出浮动叶轮平衡腔内液体流动的物理模型，推导出了平衡腔内的压力与泄漏量的关系式，从理论上解释了浮动叶轮自动平衡泵轴向力的工作原理。

关键词：离心泵；轴向力；浮动叶轮

一、研究现状

目前，国内外专家学者对叶轮轴向力进行了大量研究,并总结出了多种叶轮轴向力计算公式,但这些公式基本上都是经验公式,且存在着许多问题:①这些公式都是在特定形状和结构条件下试验总结出来的,不具有普遍性，且这些公式一般只能计算泵额定工况点下的轴向力,无法得知其全工况下的轴向力情况。②采用代数式,很难表达扭曲叶片工作面和背面压力不同产生的轴向力。③对于叶轮盖板力的求解,盖板外表面的压力分布起决定性的作用。为此,这些公式大多采用如下假设:①叶轮密封环以外的高压腔内的液体以盖板角速度的一半旋转,其压力沿径向按抛物线规律分布。②叶轮密封环以内的液体不旋转,其压力等于叶轮进口压力。③叶轮盖板两侧液体无泄漏流动。这些假设并不符合实际情况,因此由这些公式求解的盖板力跟实际情况也不一致。④对于任意选择的一个离心泵,应用这些公式分别求解其叶轮轴向力大小,计算结果相差很大，至于采用哪个公式计算结果更准确,没有查到相关文献。

二、研究方法

1、轴向力产生的原因

早在1948年, Stepanoff A J 在其专著中,系统地介绍了单级、多级离心泵轴向力产生的原因以及影响轴向力的因素。关醒凡在《现代泵技术手册》里更加详细地介绍了关于轴向力的问题。一般认为离心泵中的轴向力由下列几方面原因产生①叶轮前、后盖板外表面压力分布不对称,且受压面积大小不等所产生的盖板力,这个力是泵轴向力的主要组成部分。②液体流经叶轮后速度方向和大小均发生改变所产生的动反力。③扭曲叶片工作面和背面压力不同产生的轴向力。④对于立式泵,转子的重量也是轴向力的组成部分。⑤轮毂轴端等结构引起的轴向力。⑥其他因素产生的轴向力。

2、轴向力理论计算方法

多年来,轴向力计算一直是离心泵研究领域中的重要课题,而叶轮所受的轴向力是泵轴向力的最主要部分。目前比较普遍应用的方法是确定作用在水泵叶轮两盖板上的压力，这种方法的前提是假定盖板外腔中液体的运动是一元的，作用于相同半径旋转液环上的离心力相同且不同半径上的压差均衡。Guelich（1987）总结了通过计算确定轴向力的方法：首先给定叶轮径向的静压力分布（由试验数据或较精确的模型给出）。计算出叶轮出口圆周方向的绝对速度及密封泄漏量；将前后盖板间隙的速度分布和压力分布作为泵的几何参数、密封泄漏量和叶轮出口圆周方向绝对速度等的函数来计算。由于密封的泄漏量取决于压力分布，故需要使用迭代方法来求解；最后将压力分布进行积分得到轴向合力的大小。

Ｌino（1980）给出了带平衡鼓的多级离心泵轴向力的计算方法。根据实验结果给出叶轮进出口的压力值，在叶轮的前盖板间隙和最后一级叶轮的后间隙中，由Ｋurokawa-Toyokura方法计算压力分布；除最后一级叶轮外，在每一级叶轮的后间隙中，根据实验结果计算压力分布；平衡鼓上的压力分布，按照流体旋转的角速度是叶轮转速的一半的假设来计算：反复计算叶轮和蜗壳之间的压力分布，直到计算的泄漏量与预先假设的泄漏量相符为止。NASA流体基本特性模拟项目开发出通过压力场分布积分来得到轴向力的计算机程序。Ｍarjan（2001）使用了基于三维ｋ－ε湍流模型的Ｔasc-flow软件，对泵腔内的速度和压强分布进行数值模拟计算，进而得到轴向力的计算值，结果表明数值模拟计算是轴向力研究的一个有效工具。

3、数值模拟

3.1控制方程组

单级流道主要由叶轮和导叶组成，采用固系在叶轮表面的旋转坐标系为相对坐标系，则叶轮内的流动可视为定常流动，而整个流道内部流场为三维不可压稳态湍流场。建立相对坐标系下的时均连续方程及N—S方程，采用标准志一e两方程湍流模型来封闭方程组。

3.2建立计算模型

单级离心泵的过流部件主要由进口段、叶轮及导叶组成，在ProE中分别建立其实体模型，然后把实体模型导入gambit，利用布尔运算生成整个流道。再采用混合非结构化网格分别对进口段、叶轮及导叶流道划分网格。

3.3边界条件

(1)进口边界条件

假设进口是无旋流动，且初始进口压力设为一个标准大气压，沿进口断面均匀分布。

(2)出口边界条件

在离心泵泵导叶出口处流速与压力均为未知，此处上游流动对下游流动的影响起绝对作用，因此出口边界条件设为出流(outf1ow)形式。

(3)固壁边界条件

壁面无滑移，即相对速度W=0。对近壁面的流动按标准壁面函数法处理。

4、多参考系模型(MRF)

采用动静双参考系处理各段流道中的流动问题，即分进水段、叶轮内部、导叶体部分区域在各自的参考系下计算。叶轮流道区域采用旋转坐标系，沿z轴旋转，进水段和导叶流道区域为静止系。相邻区域的交界面，即进水段与叶轮进口的交界面、叶轮出口和导叶体的交界面上速度场连续。

三、存在的问题

离心泵浮动叶轮自动平行轴向力技术是将平衡盘和平衡孔集成于一体平行轴向力的新技术，目前尚未见对其结构设计及轴向力计算的基础理论。同时由于结构限制，平衡腔内的泄漏量难以测量，以及实现轴向力测量需要对泵的结构进行改造，会影响离心泵的使用性能，没有像应力法成熟的测试技术。

四、总结

1、采用传统的经验公式,并不能准确地计算离心泵轴向力,必须创新计算方法。随着CFD 在水泵中的应用逐渐成熟,基于CFD 来求解泵的轴向力,可以较好地解决很多传统方法无法解决的问题。

2、本项目重视研究浮动叶轮平衡腔压力计算方法，提出浮动叶轮轴向力计算方法及其自动平衡条件，其研究成果具有重要学术意义和工程应用价值。

参考文献：

[1] 关醒凡. 泵的理论与设计[M]. 北京:机械工

业出版社,1987.

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[5] 张翼飞. 离心泵轴向力的自动平衡法[J]. 水泵技术，2005(4)：27

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[8] 陈卓如.工程流体力学 [M]. 北京:高等教育出版社,1991.

专业：流体机械及工程

姓名：曾继来

学号：122080704014