平衡孔泄漏量對(duì)離心泵軸向力的影響研究*

丁 寧，董國(guó)朝

(1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引 言

目前，離心泵已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)以及航空航天等尖端領(lǐng)域，是一種重要的能量轉(zhuǎn)換和流體輸送裝置[1]。

由于離心泵葉輪本身特殊設(shè)計(jì)要求，在其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生一定的軸向載荷，該載荷的存在，會(huì)在一定范圍內(nèi)對(duì)離心泵的運(yùn)行帶來(lái)一定的安全隱患，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)嚴(yán)重縮短離心泵的壽命，造成非必要的損失，嚴(yán)重的則會(huì)造成離心泵轉(zhuǎn)子部件損壞及人身傷害[2,3]。

單級(jí)離心泵主要是通過(guò)在葉輪上開(kāi)不同數(shù)量平衡孔以降低軸向力，但是不同數(shù)量平衡孔會(huì)導(dǎo)致泵揚(yáng)程的降低，合理地布置平衡孔有助于降低軸向力和較小地降低揚(yáng)程。因此，對(duì)離心泵不同數(shù)量平衡孔的研究有助于降低軸向力，從而提高其安全性和經(jīng)濟(jì)性。

目前，對(duì)于葉輪平衡孔的研究較少，其設(shè)計(jì)方法多是采用研究人員的工作經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有一定的理論支撐[4]572-578。在單級(jí)泵設(shè)計(jì)過(guò)程中，開(kāi)平衡孔是降低軸向力的有效方法之一，其方法優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、安裝方便[5-7]，而平衡孔中心位置和過(guò)流面積不僅可以降低軸向力，同時(shí)也影響著單級(jí)泵的性能[8-13]。部分研究表明，用葉輪泄漏量的分析對(duì)平衡孔進(jìn)行研究，通過(guò)泄漏量壓力的變化，得出后泵腔軸向力的變化[14-16]。國(guó)內(nèi)外專家利用數(shù)值模擬的方法對(duì)有平衡孔葉輪模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，在允許范圍內(nèi)基本吻合[17,18]。其數(shù)值計(jì)算對(duì)流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行求解，但數(shù)值計(jì)算方法存在一定的局限性，僅是一種近似解法。研究流體問(wèn)題時(shí)，理論分析和試驗(yàn)測(cè)量是必不可少的兩部分。

本文搭建試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)葉輪開(kāi)不同平衡孔數(shù)量分別進(jìn)行試驗(yàn)，獲取該試驗(yàn)下泵性能和軸向力，研究不同數(shù)量的平衡孔對(duì)離心泵性能以及其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置是由罐體、進(jìn)出水管路、電動(dòng)閥門(mén)、電機(jī)、電磁流量計(jì)、壓力傳感器等部分組成。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集包括：流量、進(jìn)口壓力、出口壓力等。

為研究不同數(shù)量平衡孔對(duì)單級(jí)離心泵軸向力的變化規(guī)律，筆者加工了IS200-50-45標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)離心泵，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 單級(jí)離心泵基本設(shè)計(jì)參數(shù)

不同平衡孔數(shù)量的葉輪如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)葉輪

圖1中，葉輪為閉式葉輪，其包括輪轂、平衡孔、前蓋板等結(jié)構(gòu)。由于葉輪前后蓋板不平衡，流體通過(guò)時(shí)會(huì)在葉輪前后蓋板產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生軸向力；同樣，后蓋板受到壓力大于前蓋板的壓力，故產(chǎn)生后蓋板指向前蓋板的軸向力。

立式單級(jí)泵的軸向力測(cè)試原理是把泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向力，經(jīng)傳導(dǎo)裝置傳遞到推拉力傳感器中，推拉力傳感器將軸向力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)顯式推拉力計(jì)接收電信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示軸向力的大?。煌瑫r(shí)，數(shù)顯式推拉力計(jì)可以將接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸?shù)诫娔X，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

該軸向力測(cè)試裝置主要由：?jiǎn)渭?jí)泵、支架、傳導(dǎo)裝置、推拉力傳感器等結(jié)構(gòu)組成。

立式單級(jí)泵的軸向力測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 立式泵軸向力測(cè)試裝置1-立式單級(jí)泵；2-傳導(dǎo)裝置；3-固定螺母；4-調(diào)節(jié)螺母；5-測(cè)量桿；6-推拉力傳感器；7-支架

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 單級(jí)泵性能

筆者針對(duì)立式單級(jí)泵葉輪，在無(wú)平衡孔、3個(gè)Φ10平衡孔和5個(gè)Φ10平衡孔，共3種情況下分別進(jìn)行性能測(cè)試；并分別在試驗(yàn)臺(tái)記錄下各自的流量、揚(yáng)程、效率等參數(shù)。

為了更好地說(shuō)明立式單級(jí)泵葉輪在開(kāi)不同數(shù)量平衡孔后對(duì)泵的性能產(chǎn)生的影響，筆者根據(jù)其各自的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

為了減少誤差，筆者分別對(duì)試驗(yàn)單級(jí)泵在升降流量下各測(cè)試兩次，得到了開(kāi)不同數(shù)量平衡孔條件下泵的性能，如圖3所示(該試驗(yàn)泵設(shè)計(jì)流量150 m3/h、揚(yáng)程50 m)。

圖3 不同平衡孔性能

由圖3可知：

隨著流量的不斷增加，立式單級(jí)泵的揚(yáng)程下降，效率逐漸上升，在大于設(shè)計(jì)點(diǎn)流量后，趨于平穩(wěn)；通過(guò)性能分析還可以發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)單吸泵具有較寬的高效區(qū)；

從不同平衡孔條件下單級(jí)泵的效率曲線可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)平衡孔時(shí)泵的效率較高；開(kāi)3個(gè)平衡孔時(shí)泵的效率大于開(kāi)5個(gè)平衡孔時(shí)泵的效率；

在不同流量條件下，開(kāi)不同平衡孔時(shí)單級(jí)泵的揚(yáng)程下降很小；雖然開(kāi)平衡孔會(huì)給單級(jí)泵帶來(lái)一定的損耗，對(duì)其揚(yáng)程的影響較??；

在設(shè)計(jì)點(diǎn)處與無(wú)平衡孔的情況進(jìn)行比較可知：開(kāi)3平衡孔時(shí)，單級(jí)泵的揚(yáng)程下降0.4%，效率下降3%；開(kāi)5平衡孔時(shí)，單級(jí)泵的揚(yáng)程下降0.2%，效率下降4.4%；

單級(jí)泵的葉輪開(kāi)平衡孔，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)其平衡孔的泄漏流與進(jìn)入葉輪的主液流相沖擊，破壞了單級(jí)泵正常的進(jìn)口流動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)，泄漏量會(huì)使單級(jí)泵的容積損失增加，揚(yáng)程和效率降低，經(jīng)試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，其效率的變化量較大。

2.2 軸向力分析

筆者對(duì)立式單級(jí)泵葉輪的無(wú)平衡孔、開(kāi)3個(gè)Φ10平衡孔和開(kāi)5個(gè)Φ10平衡孔，共3種情況進(jìn)行了多次軸向力測(cè)試，并對(duì)多次測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均化處理，最后得到了立式單級(jí)泵軸向力測(cè)試的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同平衡孔軸向力分析

由圖4可知：

立式單級(jí)泵葉輪平衡孔的添加大大減少了泵的軸向力，增加了泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性；隨著流量的增加，在無(wú)平衡孔、3平衡孔、5平衡孔3種情況下，泵的全部軸向力先增加再減少，變化較??；

另外，與設(shè)計(jì)點(diǎn)無(wú)平衡孔時(shí)泵的軸向力進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：開(kāi)3個(gè)平衡孔時(shí)，泵的軸向力下降60%；開(kāi)5個(gè)平衡孔時(shí)，泵的軸向力下降69%，效果較為明顯；

泵的平衡軸向力大小程度取決于其密封環(huán)的直徑、密封環(huán)間隙，平衡孔位置、平衡孔直徑等因素。由于泵的平衡孔的存在，葉輪后壓力腔把一部分壓力分給了進(jìn)口，從而降低了葉輪平衡腔壓力，減小了泵的軸向力；同時(shí)，隨著單級(jí)泵葉輪的平衡孔數(shù)量增加(泄漏量的增加)，進(jìn)一步減小了其平衡腔的壓力，從而進(jìn)一步減小了泵的軸向力，增強(qiáng)了單級(jí)泵的運(yùn)行可靠性。

3 軸向力理論分析

葉輪軸向力的產(chǎn)生，主要是由于泵體前后蓋板的不對(duì)稱，導(dǎo)致液體壓力分布均勻，產(chǎn)生了指向葉輪進(jìn)口的軸向力。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)軸向力的計(jì)算已經(jīng)有了一定的研究。但是，對(duì)于具體選用哪個(gè)公式進(jìn)行分析，目前還缺乏相應(yīng)的理論支持。

筆者在對(duì)單級(jí)泵開(kāi)平衡孔后葉輪軸向力的分析前，先要對(duì)后泵腔提出一定假設(shè)[19]，在此基礎(chǔ)之上再對(duì)其軸向力進(jìn)行理論分析。

此次試驗(yàn)采用的葉輪為前后密封環(huán)直徑相同，故產(chǎn)生的軸向力主要為平衡腔內(nèi)壓力的下降對(duì)葉輪產(chǎn)生的力。

假設(shè)在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，泵腔內(nèi)無(wú)泄漏，液體以角速度的0.5倍旋轉(zhuǎn)[4]564-568，則葉輪后蓋板處壓力的徑向方向分布p3為：

p2=p1+HPρg

(1)

(2)

式中：p1—葉輪進(jìn)口壓力，Pa；p2—葉輪出口壓力，Pa；Hp—?jiǎng)輷P(yáng)程，m;ω—葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/min；r—泵平衡腔任意半徑，m。

式(2)中為沒(méi)開(kāi)平衡孔的狀態(tài)下，平衡腔中徑向方向的壓力。

在密封環(huán)和平衡孔存在的情況下，其密封間隙和平衡孔引起的泄漏量會(huì)使后泵腔的壓力下降。根據(jù)文獻(xiàn)[20]得知，由于泄漏量產(chǎn)生壓力的損失系數(shù)k、泵后平衡腔p、蓋板力FG分別為：

(3)

(4)

(5)

式中：Rh—輪轂半徑，m;R—后口環(huán)半徑，m。

除了上述分析的液體壓力對(duì)葉輪產(chǎn)生的蓋板力，還有流體通過(guò)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)反力FQ，其方向指向葉輪后蓋板，其大小為：

FQ=ρQt(v1-v2cosθ)

(6)

整個(gè)葉輪所產(chǎn)生的軸向力F為：

F=FG-FQ

(7)

為了驗(yàn)證該理論公式的可靠性，筆者在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)試驗(yàn)與理論公式測(cè)得的軸向力進(jìn)行了比較分析，分析的具體結(jié)果如表2所示。

表2 軸向力誤差分析

從表2中可以看出：軸向力的試驗(yàn)計(jì)算值大于理論計(jì)算值，這是由于開(kāi)平衡孔會(huì)使進(jìn)口來(lái)流紊亂，同時(shí)葉片進(jìn)口具有一定壓力，導(dǎo)致測(cè)量值較小，而往往計(jì)算時(shí)是不考慮葉片的進(jìn)口壓力的；

在假設(shè)的情況下，理論計(jì)算不考慮流態(tài)的作用，以及后泵腔旋轉(zhuǎn)角速度較小，導(dǎo)致了理論計(jì)算值比較大，數(shù)值較保守。因此，該理論公式具有一定的局限性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了研究不同泄漏量對(duì)單級(jí)離心泵葉輪在性能和軸向力方面的影響，本文采用試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方式，對(duì)不同平衡孔下離心泵性能和軸向力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：

(1)葉輪開(kāi)平衡孔后，由于泄漏量的增加，離心泵的揚(yáng)程和效率降低;

(2)試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，開(kāi)平衡孔大大減少離心泵軸向力;

(3)理論與試驗(yàn)測(cè)量可知，該軸向力計(jì)算公式可以計(jì)算開(kāi)平衡孔后軸向力，但有一定的局限性。

本文主要說(shuō)明不同葉輪平衡孔下離心泵性能和軸向力的變化，而沒(méi)有定量分析泄漏量變化對(duì)其的影響。因此，在后續(xù)的研究過(guò)程中需要定量分析泄漏量對(duì)性能和軸向力的影響。