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、口環間隙、平衡盤間隙、導葉端面間隙等。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間隙的選取很重要。目前，關于離心泵口環間隙研究的文獻比較少，而且關于口環間隙對離心泵效率、汽蝕、性能等影響的研究，一般都以真機試驗為主。

研究口環的熱問題包括兩部分內容：

(1)傳熱問題，即確定溫度場；

(2)熱應力問題，即已知溫度場，確定應力應變。

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力，而熱應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，對葉輪口環和泵體口環的變形影響，從而為葉輪口環和泵體口環之間間隙的合理選取提供一定的參考依據。

二、物理模型

1、三維模型

結構參數：葉輪口環內直徑214.8mm,外直徑239.5mm,寬度25mm,泵體口環內直徑240.7mm,外直徑255mm,寬度25mm,泵體厚度20mm,泵蓋厚度30mm。根據這些結構參數，利用Pro/E三維造塑軟件，采用掃描混合技術生成整體的三維實體模型，如圖2所示。

2、網格劃分

將模型導入workbench熱處理模塊,進行整體的網格劃分，在部件接觸面、口環位置進行加密處理。網格中單元總數為206萬，節點數為336萬。整體的網格示意如圖3所示。

圖3：計算網格

3、邊界條件

考慮現場使用管路的重量在泵體進出口法蘭施加1倍載荷。載荷數據如表1所示。

表1：頂部和側面載荷數據

在部件交接面設置為接觸，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表面施加4.6MPa壓力，泵體、泵蓋、葉輪、口環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,將溫度計算數據傳遞到靜力結構分析，從而得出茱體口環、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變形的影響

為了分析冷卻水腔對口環變形的影響，華全水泵廠對輸送介質溫度為200°C的模型進行仿真模擬，得出了泵體口環和葉輪口環的變形情況（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，進行數據處理。選取杲體口環和葉輪口環在在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，對泵體口環的變形量影響較小，泵體口環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的變形具有重要的影響。而且葉輪口環的變形規律比較明顯。在無水冷卻的情況下，葉輪口環變形向Z軸的正向偏移，比有水冷卻的情況下偏移0.25mm左右。

四、數據處理

選取Z=-140mm,-145mm，-150mm，-155mm,-160mm處的以截面進行分析。利用MATLAB軟件對模擬數據進行處理，研究當葉輪口環與泵體口環的半徑間隙為0.6mm時，葉輪口環和泵體口環變形之后兩者是否發生接觸磨損。結果為:在沒有水冷卻的情況下，FZ截面200°~320°的區間內，華全管道泵的泵體口環與葉輪口環之間的間隙比較大，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，泵體口環和葉輪口環間隙比較大，達到1mm;在160°180°的范圍內，泵體口環與葉輪口環之間的間隙較小，接近0.2mm。

五、結語

本文探討了熱水循環泵在使用過程中，有無冷卻水冷卻對口環變形的影響，得出以下結論:冷卻腔的沖洗對葉輪口環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的變形；在200°C時，葉輪口環與泵體口環的半徑間隙為0.6mm的方案可行，在運轉過程中不會出現口環的動靜之間摩擦。