MD450－60型多級(jí)離心泵新型平衡裝置設(shè)計(jì)研究

魏許照，黃　愷，趙德清，鐘家鼎

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州　121001)

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MD450－60型多級(jí)離心泵新型平衡裝置設(shè)計(jì)研究

魏許照，黃愷，趙德清，鐘家鼎

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州121001)

摘要:為了減少M(fèi)D450－60型多級(jí)離心泵平衡盤間液體的泄漏，提高工作效率，設(shè)計(jì)了一種新型平衡裝置，利用內(nèi)裝式單端面機(jī)械密封，依靠壓差來平衡軸向力，并進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)果表明，該裝置能夠在大幅度減少平衡盤間液體泄漏量的情況下平衡軸向力，為新型平衡裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:多級(jí)離心泵;平衡盤;新型軸向力平衡裝置;機(jī)械密封

大功率離心泵軸向力平衡問題，一直是泵研究領(lǐng)域的重要課題之一［1］。MD型多級(jí)離心泵主要應(yīng)用于煤礦，現(xiàn)有的軸向力平衡裝置多數(shù)為平衡盤，該平衡裝置依靠液體的泄漏來平衡軸向力。平衡盤泄漏量很大，一般情況下平衡盤的泄漏量是泵額定流量的4%～10%，高揚(yáng)程小流量泵甚至高達(dá)15%，當(dāng)軸向磨損間隙變大后泄漏量還要增加［2］。因此，設(shè)計(jì)一種不依靠液體泄漏來平衡軸向力的新型平衡裝置將具有十分重要的意義。

1　平衡盤原理和結(jié)構(gòu)圖

圖1　平衡盤工作原理圖

2　新型平衡裝置的設(shè)計(jì)

新型平衡裝置設(shè)計(jì)如圖2所示。

新型平衡裝置主要由平衡靜座1、機(jī)械密封12、壓蓋8、紙墊7共4部分組成。其工作原理是:平衡靜座1前端的密封腔E與末級(jí)葉輪出水端相連，末級(jí)葉輪流出的高壓液體，經(jīng)徑向間隙流入密封腔E，平衡靜座1后端直接與大氣相連，依靠密封腔E內(nèi)的壓力與大氣壓力的差來平衡轉(zhuǎn)子上的軸向力。圖中A，B，C，D是4個(gè)密封部位，機(jī)械密封的作用是將密封腔壓力和大氣壓力隔開，防止液體泄漏，這是本裝置的關(guān)鍵所在。其密封原理如下［5］:圖2所示內(nèi)裝式單端面機(jī)械密封由靜環(huán)10和動(dòng)環(huán)6組成平面摩擦副，動(dòng)環(huán)6在緊定螺釘3的固定下隨軸一起旋轉(zhuǎn)，依靠彈簧5的彈力將動(dòng)環(huán)6和靜環(huán)10的密封端面壓緊，使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)接觸端面緊密貼合，防止液體泄漏。由于接觸端面的平面度和表面粗糙度加工精度非常高，因此可以在接觸端面間產(chǎn)生一層潤滑薄膜達(dá)到密封的目的。

圖2　新型平衡裝置

MD450－60型多級(jí)泵密封軸徑比較大、密封介質(zhì)的壓力高、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，并且介質(zhì)中含少量雜質(zhì)，根據(jù)這些特性和軸頸的結(jié)構(gòu)尺寸選擇內(nèi)裝、旋轉(zhuǎn)式、多彈簧、平衡型非集裝式機(jī)械密封方式［5］，然后根據(jù)平衡靜座的外徑對(duì)機(jī)械密封尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3　新型平衡裝置受力分析

由圖3新型平衡裝置的受力分析可知，該平衡裝置所能承受的平衡力需滿足:式中: An為作用在前n級(jí)葉輪上的軸向力; F1為作用在平衡靜座前端面的壓力; F2為密封端面液體的壓力; F3為端面比壓力產(chǎn)生的壓力; C為平衡系數(shù)，一般平衡盤能夠抵消70%到80%的軸向力，剩余的由止推軸承抵消，所以0.7≤C≤0.8，這里C 取0.8。

作用在前n級(jí)葉輪上的軸向力An的計(jì)算公式為:

圖3　新型平衡裝置的受力分析

式中: H1為泵單級(jí)揚(yáng)程; Rm為葉輪密封環(huán)半徑; Rh為葉輪有效輪轂半徑; n為泵級(jí)數(shù); k為系數(shù)，當(dāng)ns=30～100時(shí)，k = 0.6;當(dāng)ns= 100～220時(shí)，k = 0.7。

作用在平衡靜座前端面的壓力F1的計(jì)算公式為:

式中:ω為角速度; R2為葉輪半徑; Re為端面摩擦副的外徑;ηv為容積效率; Q為實(shí)際流量; vm為葉輪進(jìn)口軸面速度; Hp為葉輪的勢(shì)揚(yáng)程，其計(jì)算公式為:

式中: Ht為理論勢(shì)揚(yáng)程。

假設(shè)摩擦端面內(nèi)液體的壓力按直線規(guī)律分布，如圖4所示，密封端面液體總壓力F2的計(jì)算方法如下。

圖4　端面壓力分布

由圖4可知:式中: R1為端面摩擦副的內(nèi)徑;ΔP為摩擦端面前后壓差; R為端面摩擦副某一位置時(shí)的半徑。

設(shè)比壓為P，端面比壓產(chǎn)生的壓力F3的計(jì)算公式為:

4　新型平衡裝置設(shè)計(jì)流程

新型軸向力平衡裝置設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5　新型平衡裝置設(shè)計(jì)流程圖

5　實(shí)例計(jì)算

以MD450－60多級(jí)離心泵為例進(jìn)行計(jì)算，其參數(shù)表見表1。

表1　MD450－60多級(jí)離心泵參數(shù)表

1)確定平衡靜座尺寸。

如圖3所示，初步確定平衡靜座尺寸為Rn= 105.00mm。

2)確定平衡靜座尺寸R1，Re。

如圖3所示，確定機(jī)械密封端面摩擦副內(nèi)徑R1和外徑Re，測(cè)得R1=104.00mm，Re=112.38mm。

3)計(jì)算轉(zhuǎn)子軸向力。

當(dāng)ns= 30～100時(shí)，k = 0.6;當(dāng)ns= 100～220時(shí)，k = 0.7;當(dāng)ns= 220～280時(shí)，k = 0.8。

所以取k = 0.6。

轉(zhuǎn)子的軸向力由式(2)得: An= 37 849.65 (N)

4)計(jì)算平衡靜座所能平衡的軸向力。容積效率:

水利效率:

理論勢(shì)揚(yáng)程:

由式(4)得: Hp=48.24(m)

作用在平衡靜座的軸向力F1由式(3)得:

輪轂速度:

葉輪圓周速度:

摩擦端面前后壓差:

密封端面液體的總壓力由式(5)得:

端面比壓產(chǎn)生的壓力由式(6)得:

所以平衡靜座所能平衡的軸向力:

5)計(jì)算系數(shù)C。

采用新型平衡裝置能夠抵消掉的軸向力占比為:

葉輪出口壓力:

葉輪后腔壓力:

C = 0.82＞0.8，滿足設(shè)計(jì)要求。余下的軸向力將由止推軸承承擔(dān)。

由上述計(jì)算結(jié)果得知，該新型平衡裝置所用的單端面內(nèi)裝式機(jī)械密封其密封腔壓力比較大。我國高壓密封技術(shù)起步比較晚，產(chǎn)品少，質(zhì)量也不夠穩(wěn)定，許多耐高壓機(jī)械密封裝置需從國外引進(jìn)。隨著我國耐高壓機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展，新型平衡裝置將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用［6］。

6　總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種用于礦用多級(jí)離心泵上的新型軸向力平衡裝置，并給出了具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該裝置具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)采用內(nèi)裝式單端面平衡型機(jī)械密封，可以人為設(shè)計(jì)控制端面比壓，從而減小摩擦功率損失，具有較長的壽命。

2)由于現(xiàn)有平衡盤依靠泄漏來平衡軸向力，泵的容積效率會(huì)受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致泵的工作效率下降，而新型軸向力平衡裝置幾乎沒有泄漏，從而提高了泵的工作效率。

3)新型平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以取消或大大簡化軸封裝置(如填料箱、填料、填料壓蓋等)，因而可降低成本。

參考文獻(xiàn):

［1］吳佼.離心泵浮動(dòng)葉輪軸向力的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2014.

［2］陳長江，周廣山，張希望，等.平衡盤幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水泵技術(shù)，2003(3) :28－30.

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［5］付平.密封設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［6］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:中國宇航出版社，2011.

Research on the new type balancing device based on MD450－60 multistage centrifugal pump

WEI Xuzhao，HUANG Kai，Zhao Deqing，ZHONG Jiading
(Mechanical Engineering＆Automation College，Liaoning University of Technology，Liaoning Jinzhou，121001，China)

Abstract:In order to reduce MD450－60 multistage centrifugal pump liquid leakage among balance disc and enhance the working efficiency，it puts forward a new type of balancing device.It uses the built－in type mechanical seal relying on the pressure difference to balance the axial force，takes a calculation with specific example verification.Results show that this device can balance axial force under the condition of reducing large leakage.This provides theoretical basis for the new balance device design.

Key words:multistage centrifugal pump; balance disc; a new device of axial force balance ; mechanical seal

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.013

作者簡介:魏許照(1988—)，男，山東青島人，遼寧工業(yè)大學(xué)碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

收稿日期:2015－04－14

中圖分類號(hào):TH311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0053－04