一、研究背景和必要性

流體機械中存在各種間隙，主要有：葉頂間隙、口環(huán)間隙、平衡盤間隙、導(dǎo)葉端面間隙等。而這些間隙對機械的性能有著一定的影響，在某些情況下甚至影響很大,引起某些故障，如流體激振、間隙汽蝕、泄露損失等。特別是高溫流程泵的口環(huán)間隙的選取很重要。目前，關(guān)于離心泵口環(huán)間隙研究的文獻比較少，而且關(guān)于口環(huán)間隙對離心泵效率、汽蝕、性能等影響的研究，一般都以真機試驗為主。

研究口環(huán)的熱問題包括兩部分內(nèi)容：

(1)傳熱問題，即確定溫度場；

(2)熱應(yīng)力問題，即已知溫度場，確定應(yīng)力應(yīng)變。

實際上以上兩個問題是相互影響，相互耦合的。似是，一般情況下，傳熱問題所確定的溫度場將直接影響物體的熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力問題對傳熱問題的耦合影響不大。所以，將物體的熱問題看成是單向耦合的過程。

本文以TEG200-400型的熱水循環(huán)泵為模型，如圖1所示，華全水泵廠利用ANSYSWorkbench軟件進行熱間耦合有限元分析。在溫度為200°C時,對比泵蓋冷卻水腔在有無冷卻沖洗的兩種情況下，對葉輪口環(huán)和泵體口環(huán)的變形影響，從而為葉輪口環(huán)和泵體口環(huán)之間間隙的合理選取提供一定的參考依據(jù)。

二、物理模型

1、三維模型

結(jié)構(gòu)參數(shù)：葉輪口環(huán)內(nèi)直徑214.8mm,外直徑239.5mm,寬度25mm,泵體口環(huán)內(nèi)直徑240.7mm,外直徑255mm,寬度25mm,泵體厚度20mm,泵蓋厚度30mm。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Pro/E三維造塑軟件，采用掃描混合技術(shù)生成整體的三維實體模型，如圖2所示。

2、網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入workbench熱處理模塊,進行整體的網(wǎng)格劃分，在部件接觸面、口環(huán)位置進行加密處理。網(wǎng)格中單元總數(shù)為206萬，節(jié)點數(shù)為336萬。整體的網(wǎng)格示意如圖3所示。

圖3：計算網(wǎng)格

3、邊界條件

考慮現(xiàn)場使用管路的重量在泵體進出口法蘭施加1倍載荷。載荷數(shù)據(jù)如表1所示。

表1：頂部和側(cè)面載荷數(shù)據(jù)

在部件交接面設(shè)置為接觸，忽略螺栓的變形和影響。泵體采用中部支撐，在泵體支撐處施加Fixed約束。托架處采用地腳支撐，故在托架地腳支撐處施加Fixed約束。

泵進口壓力4.1MPa,泵揚程0.5MPa,故在華全管道泵的泵體內(nèi)表面施加4.6MPa壓力，泵體、泵蓋、葉輪、口環(huán)等與液體接觸面施加溫度載荷，在于空氣接觸的表面進行熱對流處理,將溫度計算數(shù)據(jù)傳遞到靜力結(jié)構(gòu)分析，從而得出茱體口環(huán)、泵體、托架等部件的變形量。

4、材料的特性

泵體和泵蓋的材料選用1CM3,葉輪和軸的材料選用2Crl3，口環(huán)的材料選用3Crl3，托架的材料選用ZG230-450。各種材料200T時的特性如表2所示。

三、泵蓋冷卻水腔對口環(huán)變形的影響

為了分析冷卻水腔對口環(huán)變形的影響，華全水泵廠對輸送介質(zhì)溫度為200°C的模型進行仿真模擬，得出了泵體口環(huán)和葉輪口環(huán)的變形情況（為了更加直觀的顯示變形量，將變形擴大100倍后進行圖形處理）。

以進口位置的坐標為基準，進行數(shù)據(jù)處理。選取杲體口環(huán)和葉輪口環(huán)在在y、z方向的變形，如圖4、5所示。

從圖4中可以看出，隨著X方向的變化，在有水冷卻和無水冷卻的情況下，對泵體口環(huán)的變形量影響較小，泵體口環(huán)的變形主要受進出口的外部載荷、溫度等影響。

從圖5中可以看出，從圖中可以看出葉輪口環(huán)在有水冷卻和無水冷卻的情況下有較大的變形，冷卻水的沖洗對葉輪口環(huán)的變形具有重要的影響。而且葉輪口環(huán)的變形規(guī)律比較明顯。在無水冷卻的情況下，葉輪口環(huán)變形向Z軸的正向偏移，比有水冷卻的情況下偏移0.25mm左右。

四、數(shù)據(jù)處理

選取Z=-140mm,-145mm，-150mm，-155mm,-160mm處的以截面進行分析。利用MATLAB軟件對模擬數(shù)據(jù)進行處理，研究當葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)的半徑間隙為0.6mm時，葉輪口環(huán)和泵體口環(huán)變形之后兩者是否發(fā)生接觸磨損。結(jié)果為:在沒有水冷卻的情況下，F(xiàn)Z截面200°~320°的區(qū)間內(nèi)，華全管道泵的泵體口環(huán)與葉輪口環(huán)之間的間隙比較大，尤其是在270°附近間隙值大，達到1.18mm;在180°附近間隙最小為0.2mm。

在有水冷卻的情況下，同樣在270°附近處，泵體口環(huán)和葉輪口環(huán)間隙比較大，達到1mm;在160°180°的范圍內(nèi)，泵體口環(huán)與葉輪口環(huán)之間的間隙較小，接近0.2mm。

五、結(jié)語

本文探討了熱水循環(huán)泵在使用過程中，有無冷卻水冷卻對口環(huán)變形的影響，得出以下結(jié)論:冷卻腔的沖洗對葉輪口環(huán)的位置變形影響較大，高溫泵的使用過程中,盡量降低泵蓋與托架連接處的溫度，有利于減小葉輪口環(huán)的變形；在200°C時，葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)的半徑間隙為0.6mm的方案可行，在運轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)口環(huán)的動靜之間摩擦。