基于能量损失分析计及口环泄漏的离心泵效率提升方法研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Research on an efficiency improvement method of a centrifugal pump considering wear ring leakage based on energy loss analysis

　　

•提出了一种考虑密封环泄漏的离心泵效率改进方法。
•熵产分析揭示了效率改进的潜在机制。
•该方法在设计点提高了效率，且没有明显的扬程损失。
引言
随着高功率密度电子设备、航天器热管理系统 [1] 和数据中心服务器的快速发展，电子元件和功率模块的体积热生成率持续增加，使传热成为一个越来越重要的研究课题 [2]。作为水冷散热系统中不可或缺的动力源，离心泵在决定整个系统的能耗方面起着至关重要的作用。因此，提高其能效对于降低散热系统的整体能耗具有重要意义。在离心泵中，密封环间隙作为一种节流机制，抑制高压流体从排液侧回流到叶轮进口 [3]。通过前密封环泄漏的被泵送液体在叶轮进口处与主流动混合，破坏了来流的均匀性。这导致叶片入流角发生显著改变，从而降低其效率 [4], [5]。因此，研究离心泵的能量损失特性以提高泵效率具有重要意义。
与轴流泵相比，离心泵在小流量和高扬程下工作 [6], [7]，导致密封环泄漏量与主流动量之比显著，尤其是对于低比转速离心泵。为确保泵稳定可靠运行，密封环的单侧间隙通常选择为 0.5 mm 甚至更大。因此，离心泵会经历由密封环泄漏引起的巨大入流损失，这使得该问题显得尤为重要。根据现有常规设计理论设计的离心叶轮表现出相当大的入流损失。因此，密封环泄漏对入流损失的显著影响使得建立一种结合泄漏效应的新设计方法并开发一种改进设计方法成为必要。
许多研究致力于提高离心泵的效率。Chen 等人 [8] 指出叶片入流角对离心泵性能有至关重要的影响，并通过六个叶轮变体证明，从前盖板到后盖板逐渐减小的入流角提供了最佳转换效率。Capurso 等人 [9] 通过重新设计叶轮提出了一种不同于常规叶轮的结构，改善了叶片内部流动条件，提高了离心泵效率，同时保证了汽蚀性能。Wu 等人 [10] 通过计算分析研究了尾缘（TE）修改对泵性能的影响，揭示尾缘设计改进增强了叶轮出口的流动均匀性，并提高了效率和扬程。Lu 等人 [11] 建立了一种离心泵设计方法，优化叶轮出口和扩散器入口之间的匹配以减少水力损失。结果表明，在工作条件下效率提高了 1.04%。Gao 等人 [12], [13] 研究了叶片尾缘几何形状对离心泵性能的影响，显示优化配置的尾缘通过修改尾流流动显著提高了效率并减少了非稳态压力波动。根据 Lin 等人 [14] 的研究，在叶片尾缘应用正弦结节（STTE）是控制离心泵不同部件内能量耗散模式的有效机制，实现了总能耗的显著降低。这些尾缘修改还有助于最小化叶片尾流区域的涡旋尺寸并稳定下游流动条件。关于叶片厚度优化，Wu 等人 [15] 表明沿叶片压力侧增强厚度有效地抑制了叶轮通道内二次流的发展和射流 - 尾流模式的形成，从而提高了泵的运行效率。Ye 等人 [16] 基于流动模式和能量损失分析分析了四种具有不同叶片出口配置的叶轮，发现由流动分离引起的高湍流动能是离心泵在不稳定流动条件下性能下降的主要原因。
随着计算机技术和人工智能的快速发展，研究人员越来越多地关注离心泵的智能设计方法。Bashiri 等人 [17] 集成了 CFD、人工神经网络和粒子群优化来优化离心泵叶轮，结果效率提高了 3.2%，扬程增加了 5.52 m。Chang 等人 [18] 应用非支配排序遗传算法 II（NSGA-II）来优化效率，并基于能量平衡方程建立了能量损失分析的理论模型。Siddique 等人 [19] 提出了一种基于多代理模型的离心泵叶轮优化方法，利用 CFD 模拟和遗传算法同时提高扬程和效率。Wang 等人 [20] 采用逆向设计策略来塑造扩散器叶片，并引入了一种结合拉丁超立方抽样、人工神经网络和 NSGA-II 的扩散器叶片载荷分布优化框架。
然而，现有关于离心泵密封环泄漏的研究大多集中于其对转子稳定性的影响。压力脉动和转子动力学一直是离心泵间隙泄漏流研究的主要焦点。Tang 等人 [21] 进行的调查表明，当流量达到额定容量的 0.4 倍时，叶片前缘（LE）的高速区会发生放大，从而产生扩大的失速涡旋。引入泄漏条件被证明会加剧分离涡旋发展的周期性行为。在失速涡旋形成的初始阶段，压力脉动数据分析揭示，在叶片前缘附近存在 2-3 倍轴旋转频率的显著扰动，这表现出与无泄漏操作条件下观察到的特征明显不同的特点。Zhou 等人 [22] 采用有限差分法求解间隙间隙的雷诺方程，并计算了相关的流体诱导激振力。
总之，虽然之前已进行了一些提高离心泵效率的研究，但对前密封环泄漏如何影响能量性能考虑不足。目前关于离心泵密封环泄漏的研究主要关注转子稳定性。根据现有常规设计理论设计的叶轮表现出显著的入流损失。此外，缺乏专门旨在减轻离心泵中由密封环泄漏引起的入流损失的设计修改。密封环泄漏导致离心泵进口速度分布不均匀，导致使用常规设计方法时产生巨大的入流损失。
基于上述回顾，本研究为离心泵叶轮设计贡献了新的理论见解，致力于提高效率。主要贡献如下。首先，提出了考虑通过密封环泄漏的叶轮进口速度的理论分析，并提出了一种考虑该泄漏的叶轮叶片安装角的改进设计方法。通过具有不确定度分析的实验比较，改进设计方法在叶轮开发方面表现出优于常规设计方法的性能。然后，数值模拟解释了改进设计方法提高效率的潜在机制。叶轮内能量损失的可视化分析表明，改进设计通过减少叶轮进口的入流损失来提高效率。
本文的结构如下：第 2 节提出了一种考虑密封环泄漏的离心泵改进设计方法以提高效率；第 3 节描述了数值模拟和实验测试装置；第 4 节呈现了结果和讨论；第 5 节提供了结论。
章节片段
模型泵
图 1 展示了本工作中分析的离心泵结构以及前密封环的泄漏路径。主要性能参数表征为额定流量 Q0 14 m3/h，设计扬程 Hd 77 m，额定转速 nd 2900 r/min。通过应用公式 ns=3.65ndQ0/3600Hd0.75，比转速 ns 评估为 25.39。前密封环包含 0.5 mm 的单侧间隙尺寸。由于这一相对较大的间隙，流体域
流体域
为分析优化效果并揭示密封环泄漏的流动机制，建立了所研究泵的流体域，如图 6 所示。图 6 (a) 说明了没有密封环间隙的计算域，这通常用于一般研究和常规设计。图 6 (b) 描绘了包含密封环间隙等组件的整体域模型。具体来说，图 6 (a) 中的流体域由四个部分组成：入口
外特性测试比较
本研究直接比较了优化前后的测量性能，而数值模拟仅用于阐明潜在的流动机制。使用常规设计方法和考虑密封环泄漏的改进设计方法设计的叶轮分别如图 11 (a) 和 (b) 所示。图 11 (c) 显示了为实验制造的两种叶轮。
本文提出的改进设计方法表现出更好的效率
结论
在本研究中，提出了考虑通过密封环泄漏的叶轮进口速度的理论分析，并提出了一种考虑该泄漏的叶轮叶片安装角的改进设计方法。该方法的有效性通过实验得到验证，潜在机制通过数值模拟得到解释。主要发现总结如下：
(1) 提出的改进设计分析表明，密封环
关于稿件准备过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明
作者声明在准备本稿件过程中没有使用任何生成式 AI 或 AI 辅助技术。
CRediT 作者贡献声明
Xinxiang He：起草原稿，验证，软件，方法论，正式分析，数据整理，概念化。Shangxiang Lu：验证，数据整理。Xiao Deng：验证。Lu Jiang：可视化。Yuhan Zhang：验证，正式分析。Bin Huang：监督，资金获取，概念化。Peng Wu：审阅与编辑，验证，调查，正式分析。Dazhuan Wu：审阅与编辑，验证，监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到中国中央高校基本科研业务费（编号：226-2025-00073）和中国国家自然科学基金（编号：U23B20107）的支持。
Xinxiang He|Shangxiang Lu|Xiao Deng|Lu Jiang|Yuhan Zhang|Bin Huang|Peng Wu|Dazhuan Wu