【原】多级离心泵双平衡鼓结构流动特性研究

浦承皓¹  卢熙宁²  汤黎明²

1. 生态环境部核与辐射安全中心，北京

2. 上海电气凯士比核电泵阀有限公司，上海
   

摘   要：本文基于商用CFD软件ANSYS Fluent，采用Realizable k-epsilon湍流模型及SIMPLEC算法，对某多级离心泵带锯齿形凹槽的双平衡鼓处的间隙流动进行了数值分析，探究了流场的压力、速度分布规律以及径向间隙变化对泄漏量的影响。研究结果表明，径向间隙处的压力沿流动方向呈整体线性的波浪形下降趋势；锯齿槽结构能够增大局部阻力损失，减小平衡装置泄漏量；平衡鼓泄漏量随径向间隙的增大而增大，在保证泵组安全、可靠、稳定运行的前提下，应选用尽可能小的径向间隙。

关键词：多级离心泵；双平衡鼓；间隙流动；数值模拟

引言

对于叶轮单向排列的多级离心泵，由于叶轮前后压差及轴向水推力的作用，泵转子部件在运行时将承受相当大的水力轴向力，为保证泵机组的安全可靠运行，需使用轴向力平衡机构进行平衡，否则易造成推力轴承损坏。多级离心泵的平衡机构一般可分为平衡鼓与平衡盘，平衡鼓的主要结构又包括单平衡鼓结构、双平衡鼓结构、平衡鼓与平衡盘组合结构等[1] [2]。与其他平衡机构相比，双平衡鼓结构具有平衡水泄漏量低、不易发生磨损等优点[3]。目前，国内外对双平衡鼓结构的流动特性及机理的研究还较少，且通常基于理论公式进行设计，在预测带有异形槽的平衡鼓的流动特性时存在困难，本文将采用CFD方法对此开展相关数值研究。

1.  研究对象

某型号多级离心泵采用双平衡鼓结构对轴向力进行平衡，其双平衡鼓结构见图1。图示的平衡装置安装在泵末级叶轮之后，节流衬套为静止部件，平衡鼓为转动部件，在泵运行时随泵轴一同旋转。该双平衡鼓结构具有三道节流间隙，分别是平衡鼓小径处与节流衬套间的径向间隙b₁，平衡鼓与节流衬套间的轴向间隙b₂，以及平衡鼓大径处与节流衬套间的径向间隙b₃。节流衬套表面设有尺寸不一的锯齿形凹槽，平衡鼓后的平衡室通过内部流道与泵的入口相连通。

如图1所示，末级叶轮后腔室的压力的为P₁，泵内介质在流经间隙b₁后，压力由P₁降为P₂；流经间隙b₂及缓冲室后，压力由P₂降为P₃；流经间隙b₃后，压力由P₃降为P₄。这样在平衡鼓前后就会产生压差作用，形成一个由末级叶轮指向平衡室的力F，以达到平衡泵转子轴向力的作用

图1：双平衡鼓结构

2.  CFD数值计算

2.1  计算模型及网格划分

建立所研究的双平衡鼓结构的流场模型，流场模型主要包括三道节流间隙及中间的缓冲室，并对锯齿形凹槽处的流体进行了详细建模。在平衡鼓不发生偏心运行的情况下，认为平衡装置的间隙流动在周向具有周期性，采用1/4的整体流场进行建模，周向上下游两侧面采用旋转周期边界进行连接。

使用ANSYS ICEM软件对流体模型进行网格划分，该流场在周向具有周期性，故先完成对流场侧面二维面网格的划分，整体三维计算网格通过将面网格旋转扫掠90°得到。流场区域所生成的网格全部为整体结构化六面体网格，对流动边界层区域进行了加密处理。网格密度通过网格无关性验证进行确定，计算区域共划分了约340万个六面体网格。最终划分的网格如图2、图3所示。

图2：整体网格划分

图3：局部网格划分

2.2  计算方法

使用商用CFD求解器ANSYS Fluent对流场进行计算求解。计算中流体介质为水，对于间隙间的流动，特征长度取间隙b₁的水力直径D=0.3 mm（D=4×A/X，A为过流面积，X为湿周），特征速度取间隙b1处的轴向速度U_a=43.54 m/s（由试验测得的泄漏量确定），据此可计算得流动的雷诺数为：Re=13080。由此可判断流动处于湍流状态，湍流模型选用Realizable k-epsilon。对定常状态的流场进行求解，则流场控制方程为连续性方程和雷诺时均N-S方程。采用增强壁面函数对近壁面流动进行描述，压力速度耦合算法选用SIMPLEC，压力项采用二阶中心差分格式进行离散，速度项、湍动能与耗散率采用二阶迎风格式进行离散。

2.3  边界条件

压力进口、压力出口：间隙右侧高压侧设置为压力进口，左侧低压侧设置为压力出口，给定进出口压差。在介质从末级叶轮出口回到泵入口的过程中，其余过流部件产生的压降与平衡鼓节流间隙处产生的压降相比可忽略不计，即平衡鼓前后压差（节流间隙进出口压差）大小可近似认为是对应工况泵扬程的换算值。根据额定工况扬程计算得到的进出口压差大小为19.56 MPa。

旋转壁面：平衡鼓为转动部件，泵运行时平衡鼓随泵轴一同旋转，故平衡鼓表面设置为旋转壁面，转速为额定转速2980 rpm，旋转轴为泵轴轴线。

无滑移壁面：节流衬套表面设置为无滑移静止壁面。

旋转周期边界：流场上下游两侧面设置为旋转周期边界。

3.  计算结果与分析

额定工况下，试验测得的实际泄漏流量为9 m³/h，通过CFD计算得到的平衡鼓间隙泄漏量为8.986 m³/h，相对误差仅为0.16 %，表明数值计算结果具有相当高的可靠性。

3.1  压力分布

数值计算得到的流场压力分布云图如图4所示。径向间隙b1具有较长的长度和较小的径向间隙值，双平衡鼓结构总体压降的86.25%发生在径向间隙b₁处；少部分压降（13.65%的总体压降）发生在径向间隙b₃处；流体流经轴向间隙b₂及缓冲室时，由于流动尺度远大于径向间隙处，流体的压降仅占总体压降的0.1%，与径向间隙处相比可忽略不计。而对于间隙处的流动，轴向的压力变化梯度远大于径向的压力梯度，可认为流体的压力主要沿轴向发生变化。

平衡鼓表面沿轴向的压力变化情况如图5所示，右侧为进口，左侧为出口。由图示曲线可知，径向间隙b₁及b₃处的压力在轴向的变化总体上呈线性，但由于锯齿槽的存在，锯齿槽处的压力变化梯度明显小于未开槽的平整间隙处，故径向间隙处的压力沿流动方向呈波浪形下降。

图4：流场压力分布

图5：平衡鼓表面沿轴向的压力分布

3.2  速度场分析

双平衡鼓内部流场的流线分布图如图6所示，流线颜色的深浅表示流体流速的大小。由图中流线分布情况可知，双平衡鼓的间隙流动由轴向压差流和周向旋转作用下的剪切流共同组成。径向间隙处的流动由于具有远小于轴向间隙及缓冲室处的流动尺度，其流体流速明显高于轴向间隙及缓冲室处。

图6：流场内部流线图

锯齿形凹槽处的速度矢量分布如图7所示，速度云图如图8所示。在流体由间隙流入锯齿槽流道时，由于过流面积迅速扩大，流体发生流动分离，产生与整体流动方向相反的回流，锯齿槽中能够观察到明显的涡结构。由此可见，锯齿槽结构能够增大局部阻力损失，减小平衡装置泄漏量。

图7：锯齿形凹槽处速度矢量图

图8：截面速度云图

3.3  径向间隙对泄漏量的影响

由3.1节结果可知，本文所研究的双平衡鼓结构的绝大部分压降发生在间隙值很小的径向间隙处。为探究双平衡鼓结构径向间隙值大小对泄漏量的影响，在设计间隙值的基础上（b₁=0.15mm，b₃=0.175mm），将径向间隙b₁、b₂大小同时增加δ mm，保持网格密度、计算方法、边界条件等不变，对流场重新进行建模计算。

本文对δ分别为0.025mm、0.05mm、0.075mm及0.1mm的情况进行了计算分析，得到了不同径向间隙大小情况下平衡鼓的泄漏流量，泄漏量随径向间隙值增量的变化情况见图8。

图9：泄漏量与径向间隙增量的关系

由图9中的结果可以看出，当双平衡鼓结构前后压差不变，即泵的运行扬程不变时，平衡鼓泄漏量随径向间隙的增大而增大，并且这种变化近似线性。

出于减小泵组容积损失，提升泵组效率的目的，应选用尽可能小的径向间隙值。然而，根据设计及运行经验，平衡鼓的径向间隙值也并非越小越好。过小的径向间隙可能对泵机组的安全可靠运行产生不利影响，尤其对于核级泵来说，若采用过小的径向间隙，在地震工况等特殊工况下，平衡鼓动静部件间容易发生擦碰与磨损，从而影响泵组的可运行性，进而可能造成设备功能失效等严重后果。因此，应在充分考虑泵组安全、可靠、稳定运行的前提下，选用尽可能小的平衡鼓径向间隙，以提高泵组的效率。

4.  结论

1）对于本文研究的带锯齿形凹槽的双平衡鼓结构，86.25%的压降发生在具有较长长度和较小径向间隙值的第一道径向间隙处，13.65%的压降发生在第二道径向间隙处，轴向间隙及缓冲室处的压降与整体压降相比可忽略不计。

2）径向间隙处压力在轴向的变化总体上呈线性，但由于锯齿槽处的压力变化梯度明显小于未开槽的平整间隙处，径向间隙处的压力沿流动方向呈波浪形下降。

3）在锯齿槽流道中，流体发生流动分离，产生与整体流动方向相反的回流，锯齿槽中能够观察到明显的涡结构。锯齿槽结构能够增大局部阻力损失，减小平衡装置泄漏量。

4）平衡鼓泄漏量随径向间隙的增大而增大，在保证泵组安全、可靠、稳定运行的前提下，应选用尽可能小的径向间隙，以提高泵组的效率。

5.  参考文献

[1] 林玲, 牟介刚, 郑水华, 范文粲, 王硕, 施瀚昱. 平衡鼓间隙对离心泵轴向力平衡的影响[J].轻工机械, 2013, 31(06): 13-15+20.

[2] 张贤安, 金建波. 平衡鼓间隙尺寸对多级泵轴向平衡能力影响的分析[J]. 流体机械, 2013, 41(03):4 9-53.

[3] 于雷. 多级离心泵轴向力平衡技术[J]. 设备管理与维修, 2017, {4}(01): 76-77.

[4] 李伟, 施卫东, 蒋小平, 江志焜. 多级离心泵平衡装置间隙流动的数值计算[J]. 中国农村水利水电,2012,{4}(12): 137-139+142.

[5] 姚宝运, 严文泽, 刘志丹, 杨全超. 平衡鼓结构对多级离心泵性能影响的研究[J].液压气动与密封, 2020, 40(06): 11-15.

[6] 薛自华. 多级离心泵轴向力及平衡鼓尺寸计算研究[J]. 水泵技术, 2019, {4}(04): 23-25+28.

[7] 路春英. 离心泵轴向力的产生与平衡[J]. 甘肃科技, 2002, {4}(06): 80.

[8] 钱晨, 杨从新, 胡小杰, 张扬, 侯凯文. 平衡鼓间隙对多级泵后腔压力及轴向力的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2020, 38(03): 236-240+247.