分析介质的高温对热水泵结构的影响

一、研究背景和必要性

流体机械中存在各种间隙，主要有：叶顶间隙、口环间隙、平衡盘间隙、导叶端面间隙等。而这些间隙对机械的性能有着一定的影响，在某些情况下甚至影响很大,引起某些故障，如流体激振、间隙汽蚀、泄露损失等。特别是高温流程泵的口环间隙的选取很重要。目前，关于离心泵口环间隙研究的文献比较少，而且关于口环间隙对离心泵效率、汽蚀、性能等影响的研究，一般都以真机试验为主。

研究口环的热问题包括两部分内容：

(1)传热问题，即确定温度场；

(2)热应力问题，即已知温度场，确定应力应变。

实际上以上两个问题是相互影响，相互耦合的。似是，一般情况下，传热问题所确定的温度场将直接影响物体的热应力，而热应力问题对传热问题的耦合影响不大。所以，将物体的热问题看成是单向耦合的过程。

本文以TEG200-400型的热水循环泵为模型，如图1所示，华全水泵厂利用ANSYSWorkbench软件进行热间耦合有限元分析。在温度为200°C时,对比泵盖冷却水腔在有无冷却冲洗的两种情况下，对叶轮口环和泵体口环的变形影响，从而为叶轮口环和泵体口环之间间隙的合理选取提供一定的参考依据。

二、物理模型

1、三维模型

结构参数：叶轮口环内直径214.8mm,外直径239.5mm,宽度25mm,泵体口环内直径240.7mm,外直径255mm,宽度25mm,泵体厚度20mm,泵盖厚度30mm。根据这些结构参数，利用Pro/E三维造塑软件，采用扫描混合技术生成整体的三维实体模型，如图2所示。

2、网格划分

将模型导入workbench热处理模块,进行整体的网格划分，在部件接触面、口环位置进行加密处理。网格中单元总数为206万，节点数为336万。整体的网格示意如图3所示。

图3：计算网格

3、边界条件

考虑现场使用管路的重量在泵体进出口法兰施加1倍载荷。载荷数据如表1所示。

表1：顶部和侧面载荷数据

在部件交接面设置为接触，忽略螺栓的变形和影响。泵体采用中部支撑，在泵体支撑处施加Fixed约束。托架处采用地脚支撑，故在托架地脚支撑处施加Fixed约束。

泵进口压力4.1MPa,泵扬程0.5MPa,故在华全管道泵的泵体内表面施加4.6MPa压力，泵体、泵盖、叶轮、口环等与液体接触面施加温度载荷，在于空气接触的表面进行热对流处理,将温度计算数据传递到静力结构分析，从而得出茱体口环、泵体、托架等部件的变形量。

4、材料的特性

泵体和泵盖的材料选用1CM3,叶轮和轴的材料选用2Crl3，口环的材料选用3Crl3，托架的材料选用ZG230-450。各种材料200T时的特性如表2所示。

三、泵盖冷却水腔对口环变形的影响

为了分析冷却水腔对口环变形的影响，华全水泵厂对输送介质温度为200°C的模型进行仿真模拟，得出了泵体口环和叶轮口环的变形情况（为了更加直观的显示变形量，将变形扩大100倍后进行图形处理）。

以进口位置的坐标为基准，进行数据处理。选取杲体口环和叶轮口环在在y、z方向的变形，如图4、5所示。

从图4中可以看出，随着X方向的变化，在有水冷却和无水冷却的情况下，对泵体口环的变形量影响较小，泵体口环的变形主要受进出口的外部载荷、温度等影响。

从图5中可以看出，从图中可以看出叶轮口环在有水冷却和无水冷却的情况下有较大的变形，冷却水的冲洗对叶轮口环的变形具有重要的影响。而且叶轮口环的变形规律比较明显。在无水冷却的情况下，叶轮口环变形向Z轴的正向偏移，比有水冷却的情况下偏移0.25mm左右。

四、数据处理

选取Z=-140mm,-145mm，-150mm，-155mm,-160mm处的以截面进行分析。利用MATLAB软件对模拟数据进行处理，研究当叶轮口环与泵体口环的半径间隙为0.6mm时，叶轮口环和泵体口环变形之后两者是否发生接触磨损。结果为:在没有水冷却的情况下，FZ截面200°~320°的区间内，华全管道泵的泵体口环与叶轮口环之间的间隙比较大，尤其是在270°附近间隙值大，达到1.18mm;在180°附近间隙最小为0.2mm。

在有水冷却的情况下，同样在270°附近处，泵体口环和叶轮口环间隙比较大，达到1mm;在160°180°的范围内，泵体口环与叶轮口环之间的间隙较小，接近0.2mm。

五、结语

本文探讨了热水循环泵在使用过程中，有无冷却水冷却对口环变形的影响，得出以下结论:冷却腔的冲洗对叶轮口环的位置变形影响较大，高温泵的使用过程中,尽量降低泵盖与托架连接处的温度，有利于减小叶轮口环的变形；在200°C时，叶轮口环与泵体口环的半径间隙为0.6mm的方案可行，在运转过程中不会出现口环的动静之间摩擦。