内冷式机械密封泵的数值模拟与实验研究

泵的密封冷却问题长期以来都引起人们的不断思索和改进,新技术不断替代旧技术,不断推动着泵的设计思路。泵的密封和冷却问题却是个比较复杂的问题。但是,一项好的技术却能够给泵的密封冷却问题带来十分大的收益。因此研究内冷式机械密封泵并找到最优的设计方案是十分有意义的。本文中,应用数值模拟软件Fluent对普通的离心泵和泵轴开孔的内冷式机械密封泵的在运行时的内部压力场、速度场和温度场进行了数值模拟研究,并通过实验测试的方法对结果的可靠性进行验证,希望将模拟结果应用到实际工程当中。本文首先从理论的角度阐述了CFD数值计算的原理和方法,然后建立二维模型并划分网格。在设置了初始条件和边界条件后,对普通离心泵以及本文重点研究对象内冷式机械密封泵进行了数值模拟,最后利用实验对模拟数据进行验证。本文的具体内容及成果如下:1.对泵轴开孔6mm的内冷式机械密封泵进行模拟研究,结果表明,随着运行时间的增加,热源处温度先上升后下降,然后趋于平稳。正是这样的一个创新思路开辟了新的内冷却流道,流体在其中循环,对热源处进行了冷却。同时,冷却流体还能带走热源处的累积的杂质。若从长远考虑,这样的设计对增加泵的运行寿命起到了不可忽视的作用。2.首先选择对普通离心泵和泵轴开孔6mm的内冷式机械密封泵进行数值模拟,分析其压力分布、速度分布和温度分布。结果表明,在冷却流道内,后者的压力分布相对平稳,速度分布均匀且没有涡流。同时,从温度分布看,热源处的热量被不断地带走。显然,内冷式机械密封泵要优于普通离心泵。3.其次选择了2台内冷式机械密封泵做对比模拟,1台泵轴开孔6mm,另1台开孔8mm。两个泵的内部压力场分布基本一样。由于开孔孔径差距仅为2mm,效果并不是很明显。可以推测,如果开孔孔径能够再大一些,效果会更好。当流场稳定后,不难看出,尽管在狭长通道出口侧主流区这一部分有明显的涡流,但是在内冷却流道内,速度分布十分均匀,这为冷却流体带走多余热量创造了较好的条件。在温度分布中,两者的热源处温度最高且温度相当,前者温度在52℃左右,后者的温度大致为49℃。这也进一步说明了开孔孔径的增大会增强内冷却效果。4.针对数值模拟的可靠性做了实验验证。主要验证的内容是3个工况(普通离心泵、泵轴开孔6mm和开孔8mm的内冷式机械密封泵)下实验测得的温度分布数据与数值模拟得到的温度分布数据的对比。结果表明,内冷式机械密封泵在热源处的冷却效果优于普通离心泵。实验也同样表明,泵轴开孔孔径越大,冷却效果就越好。

水泵; 机械密封; 内冷却; 温度分布; 数值模拟;

顾平道;

TH38;TH136

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