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第２５卷第６期 排灌机械 Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．６ ２００７年１１月 Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＮＯＶ．２００７ 新型深井离心泵轴向力的数值计算及平衡分析 张启华，施卫东，陆伟刚，许建强 （江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３） 摘 要：在两种密封条件下，采用商用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ ６．０对１００ＳＪＢ８型泵的多个模型作流场计 算，得到两种条件下叶轮表面的压力分布，准确计算出叶轮所受轴向力。对１００ＳＪＢ８型泵，在端面 密封完全关闭的情况下，轴向力由进口指向叶轮后盖，即沿着推开端面密封的方向；在端面密封有 ０．５ ｍｍ间隙的情况下，轴向力由后盖指向叶轮进口方向，即令端面密封闭合的方向，达到自平衡叶 轮的要求。同时，通过多个模型计算的结果对陆伟刚等推导的ｓＪＢ型泵的平衡判别式作了分析，结 果表明判别式在大多数情况下与计算符合。 关键词：深井离心泵；端面密封；轴向力；自平衡叶轮；计算流体动力学 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—６２５４（２００７）０６—０００７一ｏ４ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｏｎ ｎｅｗ－ｔｙｐｅ ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ ｐｕｍｐ ＺＨＡＮＧ Ｑｉ—ｈｕａ，ＳＨＩ Ｗｅｉ一如 ，ＬＵ Ｗｅｉ—ｇａｎｇ，ＸＵ Ｊｉａｎ—ｑｉａｎｇ （Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅ￣ｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｗｏ ｓｅａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｂｙ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ ６．０ ｏｎ １００ＳＪＢ８ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｏｔｈｅｒ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ ａｘｉｌａ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｓ． ｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ．Ａｓ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ １００ＳＪＢ８，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｅａｌ ｗａｓ ｆｕｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ ｉｍ— ｐｅｌｌｅｒ ｂａｃｋ ｓｈｒｏｕｄ ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｏｐｅｎ ｔｈｅ ｓｅａｌ：ｗｈｅｎ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ０．５ ｍｍ ｃｌｅａｒａｎｃｅ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｉｎｌｅｔ ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｃｌｏｓｅ ｔｈｅ ｓｅａ１．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｃｏｕｌｄ ｋｅｅｐ ｓｅｌｆ－ ｂａｌａｎｃｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ＬＵ Ｗｅｉ—ｇａｎｇ，ｅｔ ａ１．ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔ ａｇｒｅｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ ｐｕｍｐ；ｅｎｄ ｆａｃｅ ｓｅａｌ；ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ；ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ；ＣＦＤ 深井离心泵是抽取地下水主要设备。深井泵轴 判别式 。 向力平衡困难，工程中通过开平衡孔、对称布置叶 本研究利用ＣＦＤ软件强大模拟仿真能力，对ＳＪＢ 轮、采用双密封环等来平衡轴向力。文献［１］认为 型泵多个模型作了不同密封条件下轴向力计算，并对 开平衡孔较实用，而对称布置叶轮不宜采用。文献 计算结果作了平衡分析，对判别式作了分析评价。 ［２］从理论上论证加大后密封环可平衡轴向力，但 未深入研究轴向力与密封环间函数关系，所以仍依 １ ＳＪＢ型泵的结构特征 赖于试验研究。文献［３］，［４］中，陆伟刚等研究了 一种ＳＪＢ型新结构井泵，从理论上推导叶轮自平衡 ＳＪＢ型深井泵在结构上有其特殊性。第一，叶轮 收稿日期：２００７—０８—１０ 基金项目：江苏省“六大人才高峰”基金资助项目（０６一Ｄ一０２０）；安徽省科技攻关项目（０６０２２０２５） 作者简介：张启华（１９７８一），男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事泵理论与技术的研究。 施卫东（１９６４一），男，江苏南通人，研究员，博士生导师（通讯作者），主要从事流体机械及工程的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com ８ 排 灌 机 械 第２５卷 前盖板直径约等于泵体内壁直径，并斜切叶轮出口， 其前盖板面积大小接近于叶轮后盖板面积；第二，叶 轮进口采用端面密封；第三，叶轮孔与泵轴的配合采 用间隙配合 。在此基础上，通过取满足平衡判别 式 的前、后盖板外径就能使叶轮达到自平衡。 内的流动相当复杂，采用固系在叶轮表面的旋转坐 标系，则流动可视为定常流动。采用标准模型封闭 Ｎ—Ｓ方程组，建立三维不可压稳态流动的连续方程 及Ｎ—Ｓ时均方程等控制方程组如下： ：０ ｆ １） ２两种密封条件下的计算模型 ＳＪＢ型泵采用端面密封，对密封端面的开、合两 Ｏｘ：一誓Ｏｘ＋ｆ Ｏｘ 。 ” ” 种状态分别建立计算模型。当端面闭合时，假定密 （２） 封面为固壁面；当端面敞开时，存在一个较小的间 式中Ｐ为流体的密度，ｋｇ／ｍ ；ｐ 为包含湍动能和离 隙，假设间隙大小为０．５ ｍｍ，此时间隙与进口管道 心力的折算压力，Ｐａ； 为流体的有效粘性系数； 连通，交界面为０．５ ｍｍ宽的圆柱面，假定圆柱面 ８ 为张量； 为流体的角速度，ｒａｄ／ｓ。 上、下游的场变量连续。 ３．２ 建立整级计算模型 ３．２．１ 工作介质属性 ３流场计算 深井离心泵在常温常压下抽取清水，认为清水密 度Ｐ＝９９８．２ ｋｇ／ｍ 为定值，动力粘度 ＝０．００１ ００３ ３．１控制方程组 Ｐａ・Ｓ为定值。 深井离心泵的过流部件由进水节、若干级叶轮 ３．２．２计算区域 和导叶体组成。其中叶轮以定转速ｎ＝２ ８５０ ｒ／ｍｉｎ 在Ｐｒｏ／Ｅ中生成主要过流部件的实体，得到图 绕轴线旋转，进水节和导叶体固定不动。由于整机 ｌａ，ｌｂ所示的１００ＳＪＢ８型泵的叶轮和导叶图。将实体 级数较多，仅计算一级的进水节、叶轮、导叶壳体的 导人Ｇａｍｂｉｔ中，通过布尔运算得到整个流道的三维 内部流场。可以近似认为各级内的流动完全相同， 实体，再将整体流道划分为进水段、叶轮、导叶流道三 只是进、出口能量是逐级上升的。由进水节、叶轮流 部分。采用混合非结构化网格来进行各段流道的网 道、导叶流道组成了整级全封闭流道，其中叶轮流道 格划分，得到如图ｌｃ所示的计算区域和网格。 （ａ）去掉前盖板的叶轮 （ｂ）去掉前盖板的导叶 （ｃ）流动区域网格 图ｌ 实体造型及计算区域网格图 ３．２．３边界条件 知，此处上游流动对下游流动的影响起绝对作用，因 １）进口边界条件 此出口边界条件设为出流（Ｏｕｔｆｌｏｗ）形式＿７ 。 假设进口是无旋流动 ，其进口流速 ＝ ３）固壁边界条件 壁面无滑移，各向速度均为零。对近壁面的流 ＝２￣３６３ ｍ／ｓ。另外，初始进口压力设为 动按标准壁面函数法 处理。 一个标准大气压 ，沿进口断面均匀分布。 ４）流动区域条件 ２）出口边界条件 采用动静双参考系处理各段流道中的水流运动 在深井离心泵导叶出口处流速与压力均为未 问题，即分进水段、叶轮流道、导叶流道三部分区域 维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期 张启华等：新型深井离心泵轴向力的数值计算及平衡分析 ９ 在各自的旋转系下计算。叶轮流道区域采用旋转坐 标系，旋转方向沿 轴负向，转速为２ ８５０ ｒ／ｒａｉｎ，进 板在 轴方向的分力分别表示为Ｆ ，Ｆ 和Ｆ ，当叶 轮前密封端面完全密封时，计算得Ｆ ＝一１６４．４４７ Ｎ，Ｆ ＝１４．４９５ Ｎ，Ｆ ＝１４７．５５５ Ｎ。总轴向力为 一水节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 进口的交界面，以及前空腔间隙与进水管交界的圆 柱面上场变量连续。 ２．３９７ Ｎ，指向后盖板，使叶轮向上浮动。 ２）叶轮前密封端面有０．５ ｍｍ的间隙 当端面有０．５ ｍｍ的间隙时，计算得Ｆ ＝ 一３．２．４数值算法及求解控制参数 压力速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥ算法，采用二阶迎 风格式离散差分方程。代数方程迭代计算采取亚松 弛，各项系数分别为：压力亚松弛系数０．３，动量亚 松弛系数０．７，湍动能亚松弛系数０．８，湍动能耗散 率０．８。设定收敛精度为１０～。 １５３．０６１ Ｎ，Ｆｈ＝１４．００７ Ｎ，Ｆ ＝１４７．０２７ Ｎ。总 轴向力为７．９７３ Ｎ，指向叶轮进口，这样叶轮下沉。 为对比实际情况，给出ＳＪＢ型泵预测的扬程Ｈ 和效率卵。当叶轮前密封端面完全密封时，泵的Ｈ＝ ６．３９２ ｍ，卵＝６５．７７％；当端面有０．５ ｍｍ间隙时，泵 的Ｈ＝６．１０７ ｍ，卵＝６３．３３％；而经过样机测试得到 泵的Ｈ＝５．５ ｍ，卵＝６２％。 ４轴向力计算和平衡分析 ４．１轴向力数值计算 １）叶轮前密封端面完全密封 ４．２轴向力平衡分析 ． 计算所得静压力云图如图２所示，总体上呈现 周期性对称，而不是完全对称，这也说明以往的一维 分布，即抛物线分布的假设不够准确。下面分两种 情况分析平衡性。 ｈ 一 对叶轮前盖板、叶片尾部及斜切部分、叶轮后盖 ５１ ３００ ３１ ９００ ＼ ０ １７ ４００ 嚣２ ８７０ 羞－■６ ８２０）， 一≥ （ａ）前压力面 （ｂ）叶片尾部及斜切部分 （ｃ）后压力面 ／ ２６２００ 图２ １００ＳＪＢ８型泵的静压力分布云图 １）叶轮前密封端面完全密封 样就做到轴向力的自平衡。 完全密封后，前盖上压力增加，迫使叶轮上浮。 数值计算结果也显示轴向力向上。 ２）叶轮前密封端面有０．５ ｍｍ的间隙 设计ＳＪＢ型泵的时候，出口设计成斜切的，这样 增加了叶片尾部和后盖板斜切部分面积，从而使后 盖板面积减小，前盖板面积相对增大，只要适当调整 后盖板直径，就可以使轴向力平衡，计算结果表明， １００ＳＪＢ８型泵模型基本达到自平衡条件。 此时前空腔内水流与进口水流连通，压力下降， 叶轮下沉。数值计算也表明此时轴向力向下。两种 情况的根本区别在于前密封端面的状态。当完全密 封时，不存在泄漏，前盖板压力也必然比较高，而扬 程和效率也会比较高，计算结果也是如此。当密封 打开，叶轮前盖板与泵体间的水流与进口低压水流 ４．３ 其他模型计算结果及对判别式的分析 其他ＳＪＢ型泵模型的计算结果及对陆伟刚等提 出的判别式的分析如表１所示。 表１ 其他ＳＪＢ型泵模型参数的计算结果 连通，压力自然下降，扬程和效率将下降，计算也如 此。而后盖板的压力变化非常小，叶片尾部及斜切 部分变化也很小。实际深井离心泵工作中总处于两 个状态之间。从计算所得扬程和效率可见，存在间 隙的情况比较接近实际。当端面密封上有一个较小 间隙时，间隙内水流形成润滑液膜，使叶轮悬浮，这 以上是完全密封状态的计算结果。第一、三组 轴向力都指向叶轮后盖板，使叶轮向上浮动，与判别 维普资讯 http://www.cqvip.com １０ 排 灌 机 械 第２５卷 （上接第３页） 了理论依据。但对于螺旋离心泵的叶片型线设计来 ＝Ｊ：‘ ＋ ＝ 一 说，很重要的一点就是母线方程的确定，本研究仅仅 ｚ＝ ‘【 ＋ ］ｄ ＋ｚ。 讨论了在母线方程确定的情况下螺旋离心泵叶片型 线的参数方程，而具体的母线方程用什么比较合适， ，：Ｉ－ｚｔａｎ Ｏ￣１＋等＋胁ｎ ｃ曰＜ｚ＜ 还有待进一步探讨。另外螺旋离心泵的轴向速度 （ ）的确定方法还有待进一步细化。 一 可（ ＜ｚ＜ ） 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） （１），得轮毂线叶片型线万程组 李仁年，李兵，韩伟．螺旋离心泵工作特性理论分 ｆ ＝Ｊ［‘ ＋ ＝ ＋ 析［Ｊ］．农业机械学报，２００５，３６（６）：５１—５３． 郭乃龙，关醒凡，高良润．表面流法显示螺旋离心泵内 ｆｚ＝Ｊｃ‘［ 旬＋ ］ｄ ＋ｚ。 部流动的研究［Ｊ］．农业机械学报，１９９７，２８（３）：２９— ３４． 关醒凡，张涛，魏东，等．无堵塞泵设计及结构研 Ｉ 一 （０＜ Ｌ４） 究［Ｊ］．排灌机械，２００３，２１（４）ｉ１—４． ｉ ｒ＝｛一砌ｎ ２＋ ４ｔａｎ ２＋ｒ６２ （曰＜ ＜Ｌ１） 关醒凡．现代泵技术手册［Ｍ］．北京：宇航出版社， 【 【ｒｏ３一 ： （ ，＜ ＜ ） １９９５． 刘胜．螺旋离心泵内部流场全三维数值模拟［Ｄ］． 兰州：兰州理工大学，２００６． ６ 结 论 李仁年，韩伟，刘胜，等．小粒径固液两相流在螺 旋离心泵内运动的数值模拟［Ｊ］．兰州理工大学学 本研究给出了变螺距螺旋离心泵叶片型线参数 报，２００７，３２（１）：５６—５８． 方程的确 方法．为变螺距螺旋离 ［ 泵的设计提供 （责任编辑赵鸥） ｒＬ １ １ｊ
