（流体机械及工程专业论文）浮动叶轮自动平衡轴向力的理论分析及试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 泵的应用十分广泛，发挥着巨大的作用。在泵类机械中，轴向力问题是泵设 计：运行中必须考虑的因素。从大量的文献资料中不难发现，现有的轴向力平衡 装置的应用范围和平衡能力都受到一定程度的限制，而且轴向力计算公式方面的 研究也一直是泵设计中的薄弱环节。本文跟踪水泵行业这一难点和热点问题，对 浮动叶轮自动平衡轴向力装置进行了理论研究，通过简化的n a v i e 卜s t o k e s 方程， 尝试求解出速度分布和压力分布，为浮动叶轮在工程上的广泛应用提供的理论依 据。 首先，从轴向力产生的原因、研究轴向力常用方法、平衡轴向力常用方法、 轴向力的计算四方面阐述了国内外轴向力研究现状研究表明：对泵腔内液体压 力分布的理论研究还不够深入，轴向力计算公式较多，按照不同的计算公式算出 的轴向力的值有时相差很大，这给设计者造成了困惑。在上述研究的基础上，提 出了本文的主要研究内容。 其次，介绍了近几年平衡装置的研究进展情况。如在叶轮后盖板上设有平衡 孔、多级泵中采用叶轮对称布置、平衡盘、平衡鼓、平衡盘和平衡鼓联合作用等 方法。这些方法是基于对背叶片、平衡盘、平衡鼓的改进，针对某种类型的泵， 这些装置确实起到了良好的平衡作用 再次，开展了浮动叶轮自动平衡轴向力的理论研究。针对平衡腔体直径方向 长轴向方向短的特点，建立了平衡腔内液体流动模型，利用量次对比法得出简化 的n a v i e 卜s t o k e s 方程，求解出了平衡腔内压力沿半径的关系式，其压力分布为 一条对数函数。为轴向力的计算提供理论依据。以3 b a 6 单级单吸离心泵为研究 对象，通过对平衡腔内压力的定量分析得出：平衡腔内压力p 的变化是实现浮动 叶轮自动调节的关键技术之一，影响压力变化的主要因素是叶轮平衡孔总面积与 后密封环间隙d 1 的面积的比值七；当七苫2 时，平衡腔内压力p 变化平坦。因此在 轴向力计算时，可认为平衡腔内压力p 不变，且平衡腔内压力p 为水泵相应工况 下的扬程的5 1 0 。该结论对浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力结构设计有重要 的指导意义。 最后，针对删一6 单级单吸离心泵平衡腔内压力进行了测量，在前后密封环直 径相等，后密封环直径加大等两种条件下，获得了在平衡孔直径不同时，平衡腔 内压力随流量的变化规律。依据试验数据，对相似平衡腔体内的压力进行了分析； 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 为了便于分析相似平衡腔体内压力，采用了压力系数和比面积两个无因次特征参 数。解决了相似平衡腔体内的压力的计算问题，其结论具有较高的实用价值。 关键词：浮动叶轮；自动平衡轴向力；理论分析；试验分析 硕士学位论文 a b s t r a c t p u m p sa r ea p p l i e dv e r ye x t e n s i v e l ya n dp l a yav e r yi n l p o n a n tr o l e i nt h e m a c h i n e so fp u m p ，a x i a lf b r c ei st h en e c e s s a r ya n dc o n s i d e r e df a c t o ri np u m p sd e s i g n a n dm n i n f 0 皿a t i o nf r o mt h el a r g ea m o u n t0 fd o c u m e n t a t i o n ，i ti se a s yt 0s e et h a tt h e e x i s t i n gb a l a n c ed e v i c c sa r cs u b j e c tt o ac e r t a i nd e g r e er e s t r i c t i o n si nt h eb a l a n c c c a p a c i t ya n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p e a n dt h es t u d yo fa x i a lt h r u s tf b 加u l ah a sa l w a y s b e e nw e a ki nt h ed e s i g n0 fp u m p an e wt y p ef l o a t i n gi m p e l l e rd e v i c ci sp r o p o s e db y t r a c k i n gt h ed i f f i c u l ta n dh o tq u e s t i o ni nt h ew a t e rp u m p si n d u s t r y w ba t t c m p tt 0s e e k t h e d i s t r i b u t i n g o f v e l o c i t y a n d p f e s s u r et h r o u g hs a m p l i n g t h c e q u a t i o n o f n a v i e 卜s t o k e s f o rt h c n o a t i n gi m p e u c r i nt h cp r o j e c tp f 0 v i d ct h ce x t e n s i v c a p p l i c a t i o no ft h et h e o r e t i c a lb a s i s a f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e si n t e r n a la n d0 v e r s e as e a r c ha c t u a l i t ya b o u ta x i a l p o w e rf o u ra s p e c t s ，s u c ha st h er e a s o n so fa x i a lp o w e r sh a p p e n i n g ，t h ec o m m o n m e t h o d so fb a l a n c i n ga x i a lp o w e r t h cc a l c u l a t i gw a yo fa x i a lp o w e lo u rs e a r c h m a k cs u r ct h a tt h e o r ys e a r c h0 nl i q u i dp r e s s u r cd i s t r i b u t i n g0 fp u m pc a v i t yi sn o t e n o u g ht h o r o u g h ，a n dt h ee q u a t i o no fa x i a lp o w e r i sm o r e ，a n dt h cc o m p u t i n gv a l u e s c a l c u l a t e da c c o r d i n gt 0d i f f e r e n te q u a t i o nh a v em u c hd i f 6 e r e n c e a j l0 ft h i sm a k e s d e s i g n e rb e m u s e d t h i sa r t i c l cb f i n g sf b r 、a r dt h em a i ns e a r c hc o n t e n t so fm i n eb a s e d 0 nt h ea b o v cs e a r c h s e c o n d l y ；t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e c e n tb a l a n c ed e v i c eo fp i d g r e s s s u c ha sa d d i n g b a l a n c i n gh o l eo ni m p e l l e r sh u b ，s y m m e t r i c a lc o l l o c a t i o no fi m p e l l e ro fs e g m e n t a l t y p ep u m p ，b a l a n c ed i s c ，b a l a n c ed n l m ，a n dt h ca s s o c i a t e da c t i o nw i t ht h cb a l a n c e d i s c a n dt h eb a l a n c cd m m s o m cn e wy a ya b o u tb a l a n c i n g 缸i a lp o w c ri sp u tf 0 刑a r di n r e c e n ty e a r s ，a n dt h e s ea r eb a s e do ni m p r o v i n go nb a c kv a n e ，b a l a n c ed i s c ，b a l a n c e d m mo ra i m e da tc e n a i nt y p e0 fp u m p t h e s ec q u i p m e n t sa l s 0r e c e i p t e d9 0 0 d b a l a n c i n ge f f c c t t h i r d l y w cs p r e a do u rt h e o r ya n a l y s i so na x i a lf o r c eo fc e n t r i f u g a lp u m pw i t h n o a t i n gi m p e l l e ra n ds e l f - p o i s ea b i l i t y b a l a n c ec a v i t yi sl o n gi nr a d i a ld i r e c t i o na n d s h o ni na x i a ld i r e c t i o n m e da tt h i sc h a r a c t e r i s t i c ，w eb u i l du pn o wm o d e lf b rl i q u i d i nb a l a n c ec a v i t y ；a n dc d u c es i m p l en a v i e r - s t o k e su s i n ga n t i t h e s e sb yq u a n t u m ，a n d o b t a i nt h er e l a t i o ne q u a t i o no fp r e s s u r ei nb a l a n c ec a v i t ya l o n gr a d i a ld i r e c t i o nw h i c h i t st h en u m b e ro ff h n c t i o n o u rs e a r c hb a s e do n3 b a 一6s i n g l es t a g ec e n t r i f u g a lp u m p 0 b t a i nt h a tt h ec h a n g e0 fpi st h eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yt 0a c h i c v cf 1 0 a t i n g i m p e l l e r sa d j u s t i n gb yi t s e l ft h r o u g hr a t i o na n a l y s i so nt h ep r e s s u r ei nb a l a n c ec a v i t y 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 i n f l u e n c ef a c t o ro fp r e s s u f e sv a r i e t yi st h er a t i o 七 o ft h et o t a la r e ao fb a l a n c eh o l eo f i m p e l l e ra n dt h ea r e ao fb a c kj o i n tr i n g sc l e a r a n c ed 1 i f 七乏2 ，t h ev a r i e t yo fp r e s s u r c pi nb a l a n c ec a v i t yi ss m o o t h n e s s t h e r e f 6 r e ，w ec o u l dt h i n kt h a tt h ep r e s s u r epi n b a l a n c ec a v i t yi sn o tc h a n g ea n di t sv a l u ci sl i f t s5 1 0 i nc o r r e s p o n d i n gw o r k i n g c o n d i t i o n 1 l l i sc o n c l u s i o ni si n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a t i o nf b rd e s i g no fa x i a l p o w e r s t n l c t u r eo fc c n t r i f h g a lp u m p sw i t hn o a t i n gi n l p e l l e ra n ds e l f - p o i s ea b i l i t y i nt h ee n d ，t h ep r e s s u r eo fb a l a n c cc a v i t y0 f3 b a - 6 s i n g l cs t a g es i n g l c - s u c t i o n v o l u t ep u m pw a sm e a s u r e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep r e s s u r eo fb a l a n c ec a v i t y c h a n g e sw i t ht h en o w r a t e0 nc o n d i t i o nt h a tt h ep a c k i n gr i n gd i a m e t e r sa r ee q u a la n d t h er e a rp a c k i n gr i n gd i a m e t e ri se n l a r g e d a c c o r d i n gt 0t h cc x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e p r e s s u r eo fb a l a n c cc a v i t yi nt h ec h a m b e rw e r ea n a l y z e d ，i no r d e rt of a c i l i t a t ea n a l y s i s o ft h eb o d yc a v i t yp r e s s u r es i m i l a rb a l a n c ew i t ht h ep r e s s u f ec o c f f i c i e n tt h a nt h ca r e a a n dt w 0d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s s o l v eas i m i l a rb a l a n c e0 ft h ep r e s s u r ci nt h ec a v i t y o ft h ep r o b l e m ，t h ec o n c l u s i o n so fah i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ： f l o a t i n gi m p e u e r ；s e l f - p o i s ea x i a lp o 订e r ；t h e o r ya n a i y s i s j l e s ta n a l y s i s 硕士学位论文 插图索引 1 1 泵腔内的压力分布3 1 2 作用在叶轮上的动反力：3 1 3 平衡孔或平衡管平衡轴向力6 1 4 双吸泵叶轮平衡轴向力7 1 5 叶轮对称布置平衡轴向力7 1 6 背叶片平衡轴向力8 1 7 平衡盘平衡轴向力9 1 8 平衡鼓平衡轴向力9 2 1 改变背叶片尺寸平衡轴向力原理图1 3 2 2 阀门活塞式平衡盘工作原理图：1 4 2 3 新型深井潜水泵轴向力平衡装置工作原理图：1 5 2 4 平衡鼓组合装置1 5 2 5 平衡盘与平衡鼓组合平衡轴向力原理图1 6 2 6 新型平衡装置平衡轴向力原理图1 7 2 7 末级叶轮上的压力分布图1 8 2 8 平行平板间隙的层流运动模型1 8 2 9d g c 型泵结构2 0 2 1 0 流体自反馈平衡轴向力结构图2 0 2 1 1 浮动叶轮基本结构2 1 2 1 2 磁力传动器结构2 2 2 1 3 磁力传动器静态力学分析2 2 2 1 4 磁力传动器动态力学分析2 2 2 1 5 磁力传动器动态轴向错位力学分析j 2 3 2 1 6 泵腔内流动模型2 3 2 1 7 旋转盘流动模型2 4 3 1 浮动叶轮自动平衡轴向力工作原理图2 7 3 2 叶轮前后盖板液体压力分布图2 8 3 3 轴向力随工况变化曲线2 9 3 4 泵腔内液体流动简化模型31 3 5 泵腔内测压位置3 4 3 6 不同流量下泵腔压力与半径的关系图3 6 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 图3 7 平衡腔内液体流动的简化模型3 7 图3 8 平衡腔压力随半径变化关系图3 9 图4 1 测量平衡腔压力的结构示意图4 2 图4 2 平衡腔内压力随流量变化的规律4 2 图4 3 两种典型工况下无因次特征参数p 与七的关系曲线4 3 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：工保明 日期：2 伪8 年f 月f1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：臃 日期少b 牌 6 只1 1 日 占月r 2 ，日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 泵是应用非常广泛的通用机械，在水利水电、航空航天、环境工程、热能工 程、冶金化工、核能工程、生物工程等行业中，泵的应用十分广泛，而且其应用 范围也在迅速扩大。据1 9 8 4 年统计，泵耗电量占全国总电量的2 0 ，耗油量占全国 总油量的5 。既然泵在国民经济中发挥如此巨大的作用，因此，对于提高泵的性 能，运行的稳定性和使用寿命是一个不可忽视的问题，而轴向力的大小则是影响 泵运行稳定和使用寿命的重要因素之一，如果不设法消除或平衡该轴向力，此力 将拉动转子轴向串动，与固定零件接触，造成泵部件的损坏以致不能工作。离心 泵的轴向力平衡问题很早就引起了国内外专家学者的关注 据对离心泵用户的调查表明，在泵的运行过程中，泵的轴向力通常会很大， 特别是对于运行条件恶劣或高扬程的多级离心泵，若设计、运行不当，常常导致 轴承烧毁、轴封损坏、甚至断轴等事故发生，其严重性也超过了效率、磨损等因 素造成的损失，成为离心泵能否稳定运行的决定性因素。本文跟踪水泵行业这一 难点和热点问题，对浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力进行了理论分析和试验研 究，其目的是为其结构设计提供理论依据，使其装置得到广泛的应用。 在泵类机械中，轴向力是泵设计、运行中必须考虑的重要因素之一，特别是 分段式多级泵和高扬程潜水( 油) 泵，在这类泵中因叶轮同向排列，水泵在运行 中会产生很大的轴向力。在泵的运行中如果存在较大的轴向力，将使泵在工作时 存在事故隐患，引发安全事故，影响生产效率，导致巨大的经济损失。 。 因我国水资源匮乏和地下水的过度开采，农业排灌用的潜水泵已向高扬程发 展，例如甘肃省的河西地区所用的潜水泵，扬程一般在1 0 0 2 4 0 米之间，用于 抽油用的潜油电泵，扬程一般在5 0 0 8 0 0 米之间，节段式多级离心泵扬程一般 在1 5 0 4 0 0 米之间，所以高扬程离心泵的应用场合愈来愈多，市场的需求愈来 愈大。众所周知，水泵扬程愈高，轴向力愈大，过大的轴向力容易导致泵的事故 停车。所以，开展对高扬程泵轴向力的精确计算以及平衡方法的研究不仅极其必 要的，而具有重大的现实意义和学术价值。 1 2 国内外研究现状 通过总结国内外大量关于离心泵轴向力专业文献，下面从轴向力产生的原 因、研究轴向力常用方法、平衡轴向力常用方法、轴向力的计算等四方面阐述了 国内外轴向力研究现状。 1 2 1 轴向力产生的原因 离心泵在运转时，液体在其转子上将产生一个很大的作用力，由于此作用力 的方向与离心泵转轴的轴心线平行，故称为轴向力。早在1 9 1 5 年，d a u t h e r t y 在 ：c e n t r i f u g a lp u m p 一书中初步讨论了离心泵轴向力产生的原因1 1 1 。s t e p a n o f f 在1 9 5 8 年出版的专著中，更为系统地介绍了单级、多级离心泵的轴向力产生的 原因、平衡方法以及影响轴向力的因素【2 】。 查阅几十年来有关离心泵的专业文献资料，研究人员一致认为离心泵产生的 轴向力有以下几方面的原因【3 1 1 l ： 1 离心泵叶轮的前后盖板上液体压力作用的面积大小不相等，前后泵腔中液 体压强的分布也不对称。因此，作用于叶轮前盖板上的液体压力和作用于吸入口 的压力在轴向上不能与作用在后盖板上的液体压力相平衡，从而造成一个轴向的 力，这个力是轴向力的主要组成部分。此力指向叶轮吸入口方向。 根据传统假设，认为从叶轮外径d ：至密封环直径d w 之间流体作用在叶轮上的轴向 力为 4 一r o 嵋胁 ( 1 1 ) 式中，p 二p ：一移( 1 一卦 积分整理后得： 卜脊鲁) 】 2 ， 这就是按传统方法导出的计算叶轮外表面压力分布不对称而引起的轴向力。如图 1 1 所示。 硕士学位论文 图1 1 泵腔内的压力分布 2 液体从叶轮吸入口流入又从叶轮出口流出，其速度大小和方向均不相同， 液体动量的轴向分量发生了变化。因此，根据动量定理，在轴向方向作用了一个 冲力，或称动反力，这个作用在叶轮上的力也是轴向力的组成部分。此力指向叶 轮后面。 图1 2 作用在叶轮上的动反力 假设液体沿着轴向流入，按图1 2 所示方向流出。由动量定理得 e j d q ( y 一一c o s s ) 式中，p 一液体密度，k g m 3 ： q 一泵的理论流量，m 3 s ： 一叶轮进口处的轴面速度，m s ； 一叶轮出口处的轴面速度，m s ； 一叶轮出口轴面速度与轴线方向的夹角。 ( 1 3 ) 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 3 对于立式泵，转子的重量也是轴向力的组成部分，而对于卧式泵，这个轴 向力则不存在。 4 轴台、轴端等结构因素引起的轴向力，这部分轴向力一般影响较小。属于 次要部分。 1 2 2 研究轴向力的常用方法 “ 长期以来，离心泵的轴向力一直是泵行业内人士十分关注的问题，而对离心 泵轴向力的认识现状正像一些专著中所指出的那样，轴向力“既难准确计算， 又难准确测量 。查阅国内外大量的文献知，计算轴向力的公式有十余种，但按 照不同的公式算出的轴向力值，有时相差很大，实验实测的轴向力甚至比最大计 算值还大很多，可见离心泵的轴向力研究还不完善，常采用经验法估算离心泵的 轴向力。研究轴向力的常用方法有：经验法，实验法和理论计算法。 1 经验法1 1 2 1 3 l 在生产实践中确定轴向力最常用的方法是经验公式估算法。该方法在泵的 设计实践中普遍使用，其缺陷显而易见，其可靠性依赖于大量的成功经验的积累a 经验法首先估算液体旋转角速度和叶轮产生的静压，然后根据模型试验和原 型试验的轴向力，确定出真实轴向力和理论轴向方之间的差值，推导出无因次修 正项，最后推导出修正项与流量、雷诺数和密封间隙之间的函数关系式，得到计 算轴向力的经验公式。虽然这种方法可用来估算不同口径、转速和级数泵的轴向 力，但要求泵的水力部件必须满足几何相似。 国内外泵文献介绍了1 0 多种常用的离心泵轴向力经验计算公式，用不同的 计算公式求得的结果差别很大。查阅大量国内外文献，还没有发现关于在这些计 算公式中采用哪个公式的计算结果更符合实际情况的报道。因此，离心泵轴向力 的计算是个薄弱环节，期待着科技工作者在理论上有新的突破。 2 实验法【1 4 - 1 8 】 对于科学实验研究或有重要用途的离心式泵，需要知道泵轴向力的准确值， 以保证正确设计轴向力平衡装置，选用合适的轴向推力轴承，防止轴向力装置或 轴承破坏引发的失效故障。同时，依据实验还可以获取轴向力准确的数值，用来 校正和修正经验计算公式、理论计算模型。 国内外测量轴向力的最常用方法是采用电阻应变片或应变传感器的电测法。 在承受轴向力的部位贴上电阻应变片或布置应变传感器直接受力，通过测量电阻 应变片电阻变化或应变传感器的应变，就能够测出轴向力的大小。但因泵类产品 量大面广，生产厂家很难做到对某种类型泵在出厂前检测轴向力。目前，我国生 产厂，特别是生产多级泵的生产厂，一般不测轴向力。 硕士学位论文 3 理论计算法 多年来，轴向力的理论计算一直是泵研究领域重要的课题之一要精确计算 离心泵轴向力，只有通过准确求解泵腔中粘滞流动的n s 方程，由于泵腔的形状 不规则、雷诺数较大、流动很复杂，很难直接求解n s 方程，为了求解n s 方程， 将泵腔内的液体假设为理想液体，流体流动为层流。许多文献作者假设当泄漏量 为零时，泵腔液体像刚体一样旋转，其旋转角速度等于叶轮旋转角速度，当泄漏 量为无穷大时，泵腔内液体的旋转角速度为叶轮旋转角速度的一半。求出这两种 条件下的泵腔内压力分布曲线，有了泵腔内压力分布曲线，就可以计算出泵轴向 力。 理论计算法首先要确定泵腔内压力分布( 由试验数据或较精确的模型给出) ， 计算出叶轮出口绝对速度在圆周上的分量及密封泄漏量。将前后盖板间隙的速度 分布和压力分布作为泵的几何参数、密封泄漏量和叶轮出口绝对速度在圆周上的 分量等参数的函数来计算。由于密封的泄漏量取决于压力分布，故需要使用迭代 方法来计算求解，最后将压力分布进行积分，得到轴向合力的大小【”之1 1 。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于 现代流动理论的c f d 软件。它是以理论流体力学与数学物理方程理论、计算数 学、数值方法和计算机科学等为基础，以计算机为工具，面对流动现象的控制方 程，利用数值模拟的方法得到流动现象的数值解或近似解的应用性科学。m s r j a n 较早使用了基于三维七一占湍流模型t a s c f l o w 软件，对泵腔内的速度和压强分布 进行计算，得到轴向力的计算值，为轴向力的研究开辟了新的途径【2 2 1 。 1 2 3 平衡轴向力的常用方法 多年来，轴向力问题一直是泵研究领域重要的课题之一。许多科技工作者为 此付出了很大的心血，提出了各种形式的平衡轴向力的方法。常用水力方法平衡 部分或全部轴向力。这一方法包括使叶轮或整个表面上的压力对称分布，或增设 在所有运转工况下保证轴向力平衡的系统。但是完全做到轴向力平衡是很难的， 因此，必须用止推轴承承受未被平衡的轴向力，而且要采用双向都能承受轴向力 的轴承。平衡轴向力常用的方法有：止推轴承、平衡孔或平衡管、叶轮对称布置、 背( 副) 叶片、平衡盘和平衡鼓等。从大量文献资料中可以看出，目前，大多数 泵的设计仍沿用这些传统的平衡轴向力方法，这些方法虽然结构简单，但是在泵 的运行中发挥了巨大的作用，而且为研究新的平衡轴向力方法奠定了理论基础。 现介绍如下： 1 止推轴承平衡轴向力【2 3 1 对于轴向力不大的小型泵，其结构设计的止推轴承能可靠的承受轴向推力， 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 用这种方法平衡轴向力，使泵的结构简单、经济实用并且使用寿命长，如i s 单 级单吸离心泵、g b 管道离心泵等，但这种方法所应用的场合局限性大。 2 平衡孔或平衡管平衡轴向力 在叶轮的后盖板上附设后密封环，密封环所在直径一般与前密封环相等，同 时在平衡腔的叶轮后盖板上设有平衡孔或者在泵体上设有平衡管，且与叶轮吸入 侧联通，如图1 3 所示。由于液体流经密封环间隙的阻力损失，使密封环下部的 液体压力下降，从而减少了液体作用在后盖板上的压力。压力的减少程度取决于 孔的数量和孔径的大小。 采用这种方法虽减少了轴向力，但仍有1 0 1 5 的未平衡轴向力。要完全 平衡轴向力必须进一步加大密封环所在直径，值得说明的是密封环和平衡孔是相 辅相成的，只设密封环无平衡孔不能平衡轴向力，只开平衡孔不设密封坏，其结 果是，泄露量很大，平衡轴向力的程度甚微。采用这种平衡的方式可以减小轴封 的压力，其缺点是泵的容积损失增加( 平衡孔的泄漏量一般为额定流量的2 3 ) 。另外，平衡孔的泄漏流与进入叶轮的主流相撞击，破坏了叶轮正常的流动 状态，会使泵的抗气蚀性能下降。平衡腔内液体的回流不畅或堵塞，导致平衡腔 内的压力上升，将会造成重大的机械事故。 图1 3 平衡孔或平衡管平衡轴向力 3 叶轮对称布置平衡轴向力 1 ) 采用双吸式叶轮平衡轴向力1 2 3 1 双吸泵的叶轮对称分布，如图1 4 所示。从理论上讲，叶轮两侧受液体的压 力是对称的，可以完全平衡轴向力。但在实际应用过程中，由于加工，运行磨损 等原因，叶轮两侧的密封环间隙不可能完全相同，因而叶轮两侧密封环的泄漏量 也不相等。而泄漏量的大小将影响泵腔内的压力，使叶轮两侧受液体的压力不相 等，亦产生了剩余轴向力。因此，双吸泵的叶轮能平衡绝大部分的轴向力，剩余 硕十学位论文 轴向力仍需止推轴承来承受。该结构常用于单级双吸泵上。 图1 4 双吸泵叶轮平衡轴向力 ： 2 ) 采用叶轮对称布置的方法平衡轴向力【2 3 训 多级泵的叶轮半数对半数、面对面或背靠背地按一定次序排列起来，可使轴 向力基本平衡。如图1 5 所示 。 对称布置叶轮，只有结构完全相同的条件下，才能完全平衡轴向力。但由于 多级泵各级的泄露量不同，各级的轮毂、轴肩也不相同时，要产生一定的轴向力， 剩余轴向力仍需止推轴承来承受。这种方法主要用于蜗壳式多级泵、节段式多级 泵和潜水泵中。例如，西德l z 公司在高扬程潜水泵设计上，采用叶轮对称布置 的结构，虽轴向力得以解决，但结构复杂，泵的单级扬程低，泵级数多。 图1 5 叶轮对称布置平衡轴向力 ( 4 采用背( 副) 叶片平衡轴向力1 2 3 - 2 5 】 在叶轮的后盖板上加做几个径向肋筋，称为背( 副) 叶片。如图1 6 所示。 当叶轮旋转时，背( 副) 叶片强迫液体旋转，使液体的旋转角速度增加，后盖板 侧的压力降低，从而液体作用于叶轮上的一部分轴向力得以平衡。 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 图1 6背叶片平衡轴向力 5 平衡盘平衡轴向力田t 2 6 2 9 l 平衡盘多用于节段式多级泵上安装在末级叶轮的后面，随转子一起转动， 如图1 7 所示。平衡盘是靠泄漏产生压差工作的，平衡盘像一个浮动的液体滑动 轴承，平衡盘和平衡鼓不同，它能自动平衡轴向力，这是因为平衡盘两个间隙相 辅相成的结果。平衡盘的一个是径向间隙6 0 ，一个是轴向间隙饥，平衡盘的工作 原理是：当轴向力大于平衡力时，转子向左移动，轴向间隙减小，使径向间隙内 的液流速度减小，损失降低，即压差卸- p ，一j p l 。减小。因为p ，不变，所以平衡腔 体中的压力p 。增大。于是，由压差卸：一p 4 一p 。产生的平衡力增加。当平衡力增 大到和轴向力相等时，达到平衡。同理，当轴向力小于平衡力时，转子在向右移 动的过程中，同样可以实现平衡。 值得说明的是，平衡盘是靠泄露产生压差工作的，没有泄露，也就没有平衡 力。因此，应该设法在最小的泄露下产生大的平衡力。一般泵平衡盘泄露量为额 定流量3 8 。泵在工作过程中，由于工况的变化和密封环磨损原因，轴向力 也在相应变化，转子作相应的移动已达到新的平衡。平衡盘处于运动平衡的过程， 平衡是暂时的、相对的。泵在运转过程中，过多的移动是不允许的，否则，会使 平衡盘研磨。转子发生振动，使转子失去稳定性为了限制过大的轴向脉动，必 须使轴向间隙变化不大的情况下，能使平衡力发生显著的变化，即提高平衡盘的 灵敏度。平衡盘的使用在一定程度上降低了泵效率，而且转子轴的轴向移动，在 刚启动和停止时，极易造成平衡盘、环的磨损，疏于维修时，更能造成叶轮和泵 体间的磨损、损坏。 硕士学位论文 图1 7 平衡盘平衡轴向力 6 采用平衡鼓平衡轴向力【2 3 3 0 3 明 平衡鼓是个圆柱体，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转，平衡鼓的后面是 平衡室，与第一级叶轮的吸入室相通。因此平衡鼓前面的压力接近于末级叶轮的 压力，而后面的压力等于水泵吸入室的压力与平衡管中阻力之和。这样就产生了 平衡鼓前后的压力差，以平衡水泵的轴向力。平衡鼓外缘与泵体上平衡套间的间 隙很小，约为0 2 o 3 m m 如图1 8 所示。平衡鼓外圆表面与泵体间形成径向 间隙6 0 。平衡鼓前面是末级叶轮的后泵腔，内部压力为儿，后面是与吸入口相联 通的平衡室，内部压力为儿。这样作用在平衡鼓上的压差形成指向右方的作用力， 该力用来平衡液体作用在转子上的轴向力。由于泵工况的变化和轴向力计算的偏 差，平衡鼓的平衡状态要受到影响。因此轴向力不能完全平衡，剩余轴向力由推 力轴承承受。 图1 8 平衡鼓平衡轴向力 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 一 1 2 4 轴向力的计算 如前所述，离心泵由液体产生的轴向力，主要由叶轮前、后盖板上液体压力 分布不对称引起的。人们对到底有多大的液体压力作用在密封环直径仇与叶轮 轮毂直径d 之间面积上的问题有分歧，所以就得出了不同的轴向力计算公式。 从大量的文献资料中可以看出，国内外的专家学者在进行轴向力的研究中，总结出 了各种形式的轴向力计算公式，这些公式基本上都是经验公式，而且是建立在下列假设 基础上： 1 液体为理想液体； 2 液体在泵腔内的旋转角速度等于叶轮旋转角速度的一半； 3 泵在正常运行时泄漏量为零； 4 叶轮中心线与导叶( 涡壳) 中心线重合。 现将这些公式列举如下f 3 3 捌】： ( 1 ) 德国p n e i d c 陀l c 推荐的计算轴向力的公式为 叫即c 卜华卜砒 n 4 ， ( 2 ) 英国a d d i s 彻推荐的计算轴向力的公式为 彳i k 一所p c p 一盟笋) 】- 9 印居 n 5 ， 该公式表示，作用在叶轮前、后盖板外侧外径处的压力不是势扬程日p 而是全扬程 ( 3 ) s t e p 锄正a j 推荐的计算轴向力的公式为 彳k 一研枷，一c 一瑶) j q ，。g ( 1 6 ) 此公式与公式( 1 4 ) 的差别在于：势扬程h p 从叶轮外径按抛物线规律降低到密封 环直径处，从密封环直径至轮毂直径处不再降低。所以，作用在密封环直径与轮毂 直径a 间面积上的平均压力仍为密封环处的压力。 。 ( 4 ) 德国的i u n c l c 推荐的计算轴向力的公式为 彳一k 【d ；一d f _ ) h ( 1 7 ) ( 5 ) 美国的k 躺s 出j j 与前苏联叶斯曼推荐的计算轴向力的公式为 彳一k 【d ；一d ；】h ， ( 1 8 ) ( 6 ) 德国的p n e i d e r c r c 还推荐下列经验公式 硕士学位论文 4a 3 6 5 n 口泐；) ，1 0 0 0 ( 1 9 ) 式中，以叮一欧洲比转速 ( 7 ) k o v a t s a 推荐的计算轴向力的公式为 降瑶) 学+ 一叶，一c 降华) 】 - 缈 以“ 式中，昂一叶轮前盖板外径处的压力，5 尼一叶轮后盂权外砼处的出力，。 ( 8 ) p a n 柚t y u s a g 等人推荐的计算轴向力的公式为 降睇) 学+ 叫学十一华) ) _ 引1 ， ( s ；) 洛马金a a 推荐在密封声重磨损时，叶轮所产生的，轴向力为 - 酱伍二。：磷降等) - 2 】_ 居1 孑， 式中，4 是由式( 1 7 ) 计算所得的轴向力。 ( 1 0 ) a n i l av e r b a 认为，由于叶轮位移或由于制造装配误差的积累，而使叶轮吐 出的流体部分可能被泵体挡住，在这种情况下，推荐用下式公式 叫伍一瑶灿p ) + 一呻十一华肛叫棚， l 【_ 常数，k - f 万45 仇一叶轮轮毂直径，聊； 一叶轮口环直径，m ； p 流体的密度，船肌3 。 q 泵的实际流量，m 3 厶。 ，计算点处的半径，朋； c 常数，c 一2 ( 3 2 9 ) 。 阢一叶轮外直径，册； 吐，一叶轮旋转角速度，口d 厶3 f 泵级数； 日p 一势扬程，册； ) ，流体的比重； y 一一叶片进口的轴面速度，咖5 由于上述假设与实际情况存在着很大差异，所以上述公式计算的轴向力均为近似 浮动叶轮平衡轴向力的理论分析及试验 值，而且用不同的计算公式求得的结果相差很大。目前还没有查阅到国内、外关于在这 些计算公式中采用哪个公式的计算结果更符合实际情况的报道。因此，轴向力的计算是 泵设计中的薄弱环节【2 7 l 。 李多民( 1 9 9 2 年) 分别用这些公式计算了一台多级离心泵轴向力，将计算值与实 测值进行了比较，其中只有2 个公式的计算值与实测值较接近【3 7 1 。从计算轴向力的结果 上可以看出，按照不同的计算公式计算出的轴向力的值相差很大，因而在设计时到底选 用哪个公式进行计算较精确，没有统一的说法和认识。由此可见，在设计泵时，特别在 设计多级泵时，按公式计算出的轴向力值能否真实地反映出机组在运行过程中流体作用 在转子上实际轴向力，直接影响着机组的安全可靠性。由于轴向力研究的不完善，目前 对一些重大装备中用的泵，为了避免轴向力计算不准确造成的损失，均可在泵上安装轴 向力在线检测装置，实现对水泵轴向力的监控。 1 3 本文的主要研究内容 本文是在查阅大量文献资料的基础上，分析总结了前人对水泵轴向力的研究 成果，指出研究轴向力的核心问题是研究泵腔内的压力分布，并针对高扬程水泵 实际存在过大轴向力的具体问题，对浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力进行理论研 究与试验分析。主要研究内容为： 1 全面系统地分析平衡轴向力的方法，跟踪轴向力研究的最新进展，深入 研究浮动叶轮自动平衡轴向力的设计理论 2 分别建立了浮动叶轮泵腔与平衡腔内部流动的数学模型，应用粘性不可 压缩流体的n s 方程、连续性方程和泵的基本方程，推导出泵腔、平衡腔内部的 压力分布，为轴向力的计算提供理论依据。 3 平衡腔压力变化是实现浮动叶轮自动平衡的关键技术，通过理论分析和 实验研究，探索解决平衡腔内压力的计算问题。 4 通过对泵腔内和平衡腔内压力的理论研究与试验分析，为浮动叶轮的结 构设计提供可靠依据，使该装置能在工程上得到更广泛应用。 硕士学位论文 第2 章轴向力平衡装置研究新进展 。从大量的文献资料中不难发现，国内外研究人员研制了许多不同的轴向力平 衡装置。通过对其进行比较分析发现，简单常用的平衡方法在平衡能力和应用范 围上都这样或那样的不足。于是，人们提出了一些新的轴向力平衡方法，这些方 法多是基于改变泵腔内的压力分布，开展平衡装置内部液体流动研究，试图对轴 向力进行准确计算。现就这些新型轴向力平衡装置研究进展情况介绍如下： 贺琪华等人( 1 9 9 6 年) 通过改变叶轮背叶片的几何尺寸研究了背叶片对轴 向力的影响【弼l 。其工作原理如图2 1 所示。， 该研究的理论基础是根据斯捷潘诺夫推荐公式