（流体机械及工程专业论文）斜流式离心叶轮的轴向力研究.pdf

学位论文版权使用授权书 ii il lrj i i i l l l l r lliti i i iiii i ii i i i i f 18 9 4 8 6 2 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：瓠百| ) 2 。1 1 年6 月心日 指导教师签名： 沙l 【年石月彦日 斜流式离心叶轮的轴向力研究 r e s e a r c ho fa x i a lt h r u s to no b l i q u ef l o w c e n t r i f u g a li m p e l l e r 2 0 1 1 年0 5 月 在多级泵的应用过程中，轴向力平衡的好坏是影响泵可靠运转的关键因素之 一，因此，轴向力一直都是多级泵领域的重点研究对象。计算轴向力的方法多种 多样，不同的经验公式所算出来的轴向力大小相差很大，因此，找出一个对泵轴 向力精确计算的方法是泵设计计算的难点和重点。关于径流式离心泵的轴向水推 力，其计算方法已众所周知，对其的研究也十分广泛。但是关于斜流式离心叶轮 的轴向水推力，国内外所进行的研究还很少。国外也有求取混流泵轴向水推力的 一些计算公式，虽然是在大量试验的基础上总结得到经验系数，推导出的轴向力 计算公式，但是这些经验系数是在特定结构中试验得出的，若结构改变，就有可 能不再适用，不具普遍性。本文将针对某新型深井离心泵试验测量的结果，探究 出较为准确的斜流式离心泵叶轮轴向力预测方法。除此之外，本文通过改变叶轮 的自身结构来平衡部分轴向力，达到减小轴向力减轻磨损的目的，同时我们还要 不牺牲泵的效率。本文的主要研究内容有： 1 介绍了轴向力产生的原因。常用的轴向力研究方法以及轴向力平衡方法，总 结了平衡装置的研究现状，分析了口环间隙对轴向力及泵性能的影响研究现状。 2 对采用斜流式离心叶轮的新型深井离心泵关键的数值模拟设置方法进行研 究，分别在不同的湍流模型、不同的流场计算方法下进行了数值模拟，选择出了 适合斜流式离心叶轮数值模拟的设置方法。列举了三种现有的斜流式离心叶轮轴 向力计算公式，对一台自主设计的新型深井离心泵进行轴向力的公式迭代计算、 数值模拟和试验测量。通过分析和比对找出较为准确的斜流式离心叶轮轴向力计 算公式，试验测量结果与数值计算结果的变化趋势基本吻合，试验结果验证了额 定工况点数值模拟的准确性。 3 为了探究轴向力与口环间隙之间的关系，以计算流体力学为基础，对某新型 深井离心泵的模型泵在三种不同口环间隙下进行全流场的数值模拟，并对其额定 工况下的结果做了进一步理论分析。结果表明，口环间隙的变化影响叶轮盖板上 的静压分布，从而导致轴向力的大小改变。同时，导致泵腔内液体角速度变化， 以及液体圆周角速度修正系数的改变，传统轴向力计算公式计算受限制。因此， 对于某一确定口环间隙，利用数值模拟预测叶轮所受轴向力是比较方便且准确的 方法。 江苏大学硕士学位论文 4 减小后盖板直径可以平衡部分轴向力，在前盖板直径以及其它的一些参数已 定的情况下，利用单因素优选法结合数值模拟，分析叶轮后盖板直径对叶轮效率 及轴向力的影响，在不牺牲水力效率的前提下，对后盖板直径进行优选。结合优 选过程，对多组不同后盖板直径的叶轮进行了样机的加工制造和外特性及轴向力 试验，验证了数值模拟所得最优方案的准确性。 5 对最优方案进行了非定常的轴向力数值模拟，一个叶轮旋转周期内，首级和次 级叶轮轴向力出现7 次脉动信号，与叶轮的叶片数z l 相对应。 6 借助数值模拟的方法，对两种不同型号的采用端面密封型式的斜流式离心叶 轮密封端面宽度的选取进行了分析，探索出了其与轴向力及密封端面比压的关 系。数值模拟显示，随着密封端面宽度的减小，轴向力减小，甚至可以被完全平 衡掉。 关键词：斜流式离心泵，轴向力，口环间隙，泵腔液体角速度，修正系数，单 因素优选，非定常，试验研究 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h ea p p l i c a t i o no fm u l t i s t a g ep u m p ，t h eb a l a n c eo fa x i a lt h r u s tf o r c ei s0 1 1 eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h ep u m p t h em e t h o d so f c a l c u l a t i n gt h ea x i a l t h r u s tf o r c ea r em u l t i p l e ，w h i c hl e a dt oo b v i o u sd i f f e r e n t c a l c u l a t i o nr e s u l t s s oa na c c u r a t em e t h o di si m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tt ot h ed e s i g no f m o d e mp u m p t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fa x i a lt h r u s to nr a d i a lf l o wc e n t r i f u g a l p u m p sh a s b e e nw e l lk n o w n ，a n dt h es t u d yf o ri ti sa l s oe x t e n s i v e b u tt h er e s e a r c hf o r c a l c u l a t i o nm e t h o do fa x i a lt h r u s to no b l i q u ef l o wi m p e l l e rw h i c hi sw i d e l yu s e di n d e e pw e l lp u m p si ss t i l lt i t t l e a l t h o u g ht h e r ea r es o m ef o r m u l a sf o rt h ec a l c u l a t i o no f a x i a lf o r c eo i lm i x e df l o wp u m p0 1 1a b r o a d ，a l t h o u g ht h ee x p e r i e n c ec o e f f i c i e n ti nt h e f o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ea x i a lf o r c ea l es u m m a r i z e do nt h eb a s i so fal a r g en u m b e r o ft e s t s ，t h ee x p e r i e n c ec o e f f i c i e n t 硼r co b t a i nf r o mi ts p e c i f i ct e s ts t r u c t u r e ，t h e ym a y b en o ta p p l yw i t l ld i f f e r e n ts t r u c t u r e t h e s ef o r m u l a sa l en o tu n i v e r s a l w i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i sp a p e rh a so b t a i n e dm o r es a t i s f a c t o r yr e s u l t st h a t am o r e a c c u r a t ep r e d i c t i o no fa x i a lf o r c ew 弱e x p l o r e df o rd i a g o n a lf l o wi m p e l l e rw h i c h b a s e do i lan e wt y p ed e e pw e l lp u m p i nt h ep r e m i s eo fw i t h o u ts a c r i f i c i n gh y d r a u l i c e f f i c i e n c y , t h i sp a p e rh a sb a l a n c e dp a r to f t h ea x i a lf o r c eb yc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo f t h ei m p e l l e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fr e d u c i n gf r i c t i o na n dw e a lt h ec o n t e n t so ft h e t h e s i sa l l ：勰f o l l o w s ： 1 t h ec a u s e ，e s t i m a t i n gf o r m u l a so fa x i a lt h r u s ti nc e n t r i f u g a lp u m pa n dt h e c o m m o nb a l a n c i n gm e t h o d s w e r gi n t r o d u c e d ；t h er e s e a r c hp r o g r e s so fa x i a lt h r u s ta n d t h ee f f e c to fr i n g sc l e a r a n c eo i la x i a lf o r c ea n dp u m pp e r f o r m a n c ei nr e c e n ty e a r s w e r gs u m m a r i z e d 2 i no r d e rt op r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo fn e wt y p ed e e pw e l lp u m pw h i c hu s e t h eo b l i q u ef l o wc e n t r i f u g a li m p e l l e rq u i c k l ya n da c c u r a t e l yb yt h ec o m m e r c i a lc f d s o f t w a r ef l u e n t , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ta td i f f e r e n tt u r b u l e n c e m o d e l s ，a n dd i f f e r e n tf l o wc a l c u l a t i o nm e t h o d st oa n a l y z et h ei m p a c t0 1 3s i m u l a t i o n r e s u l t s t h eb e s ts e tm e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ro b l i q u ef l o wc e n t r i f u g a l i m p e l l e rw e r es e l e c t e do u t t h r e ee x i s t i n ga x i a lf o r c ef o r m u l ao fm i x e df l o w h 1 江苏大学硕士学位论文 c e n t r i f u g a li m p e l l e rh a sb e e ne n u m e r a t e d t h i sp a p e rh a sd o n e i t e r a t i o no fa x i a lf o r c e f o r m u l a , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so nan e wt y p ed e e p w e l lp u m pw h i c hi si n d e p e n d e n td e s i g n e d t h em o r ea c c u r a t ef o r m u l af o rc a l c u l a t i o n o fa x i a lf o r c eo nm i x e df l o wc e n t r i f u g a li m p e l l e rw a sf r e do u tw i t ht h ec o m p a r a f i o no f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nv a l u e sa n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s t h ep r o t o t y p et e s t r e s u l t sc o n s i s t e n t 、析mn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sb a s i c a l l y t e s tr e s u l t sv e r i f yt h e a c c u r a c yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na tr a t e do p e r a t i n gp o i n t 3 i no r d e rt or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea x i a lf o r c ea n dd i f f e r e n tr i n g c l e a r a n c e s ，t h i sp a p e ru s e dc f dt os i m u l a t et h ew h o l ef l o wf i e l do fm u l t i - s t a g ep u m p u n d e rt h r e ed i f f e r e n tr i n gc l e a r a n c e so nan e wt y p ed e e pw e l lp u m p ，t h i sp a p e rh a s f u r t h e ra n a l y z e di t sr e s u l to nr a t e dc o n d i t i o nt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h ei m p e l l e rc o v e rp l a t ec h a n g e dw i t hv a r i a t i o no fr i n g c l e a r a n c e st h a tl e a dt oc h a n g e si nt h ev a l u eo ft h ea x i a lf o r c e ；a tt h es a m et i m ea n g u l a r v e l o c i t yo ft h el i q u i dp u m pc h a m b e rc h a n g e ，a n dc i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t yo fl i q u i d c o r r e c t i o nf a c t o rc h a n g e ，t h i sm a k e st r a d i t i o n a la x i a lf o r c ec a l c u l a t i o nl i m i t e d t h e r e f o r e ，u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt op r e d i c t ea x i a lf o r c eo fi m p e l l e ri sam o r e c o n v e n i e n ta n da c c u r a t em e t h o df o rad e f i n e dg a pr i n g s 4 r e d u c et h ed i a m e t e ro fb a c kc o v e rp l a t ec a nb a l a n c ep a r to ft h ea x i a lf o r c e b yu s i n gs i n g l ef a c t o ro p t i m i z a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa n a l y s i st h ee f f e c to f a x i a lf o r c eo nd i a m e t e ro ft h ei m p e l l e rb a c kc o v e rp l a t ea n di m p e l l e re f f i c i e n c yw h e n d i a m e t e ro ft h ef r o n tc o v e ra n ds o m eo t h e rp a r a m e t e r sh a v eb e e nd e f i n e d i nt h e p r e m i s eo fw i t h o u ts a c r i f i c i n gh y d r a u l i ce f f i c i e n c y , o p t i m a ls e l e c t i n gt h ed i a m e t e ro f b a c kc o v e rp l a t e c o n b i n i n gw i t ht h e o p t i m i z a t i o np r o c e s s ，d o n ep r o t o t y p e m a n u f a c t u r i n g , o u t e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea x i a lf o r c et e s tu n d e ras e r i e si m p e l l e r w i ld i f f e r e n td i a m e t e ro fb a c kc o v e r p l a t e t h e s ev e r i f i e dt h ea c c u r a c yo f t h eo p t i m a l s o l u t i o nw h i c ho b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 5 u n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ea x i a lf o r c ef o rt h eo p t i m a lp l a nh a s a l s ob e e nd o n e t h er e s u l ts h o w st h a ta x i a lf o r c eo np r i m a r ya n ds e c o n d a r yi m p e l l e r f l u c t u a t e d7t i m e st h a tc o r r e s p o n d i n gw i t ht h en u m b e ro fi m p e l l e rb l a d e sz ld u r i n ga l l i m p e l l e rr o t a t i n gc y c l e v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 弓i 言1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 轴向力产生的原因1 1 2 2 常用的轴向力研究方法2 1 2 3 常用的轴向力平衡措施。3 1 2 4 国内轴向力平衡装置研究现状。5 1 2 5 口环间隙对轴向力及泵性能的影响6 1 3 发展趋势7 1 4 本文的研究内容7 1 4 1 问题的提出以及意义7 1 4 2 研究的主要内容和方法。8 第二章斜流式离心叶轮的轴向力计算方法与试验值的对比1 0 2 1 轴向力公式计算1 0 2 2 轴向力数值模拟1 2 2 2 1 数值模拟前处理1 2 2 2 2 数值模拟相关问题的选择1 5 2 2 3 数值计算中轴向力的划分。1 8 2 2 4 各个受力面的数值分析1 8 2 2 5 轴向力的数值模拟结果2 2 2 3 轴向力试验测量2 2 2 3 1 泵试验测量装置2 2 2 3 2 轴向力试验装置及轴向力测量结果2 3 2 5 本章小结2 5 第三章口环间隙对离心叶轮轴向力影响的研究。2 6 3 1 轴向力的计算公式。2 6 3 2 不同口环间隙时轴向力数值模拟2 7 3 3 本章小结3 2 第四章叶轮后盖板直径的优选 v i 江苏大学硕士学位论文 4 1 基于数值模拟的单因素优选法3 3 4 1 1 单因素优选法的概念与意义3 4 4 1 2 黄金分割法的基本思想。3 5 4 2 叶轮后盖板直径的试验设计。3 5 4 2 1 研究展望3 6 4 2 2 确定因素3 7 4 2 3 采用黄金分割法来确定叶轮后盖板直径3 7 第五章最优方案的数值分析及不同盖板直径的试验测量 3 9 5 1 最优方案的数值分析3 9 5 2 不同后盖板半径下叶轮试验值及数值模拟结果的对比4 0 5 3 基于c f d 的轴向力非定常数值计算4 2 5 4 端面密封型式下叶轮剩余轴向力的平衡。4 4 5 5 本章小结4 8 第六章总结与展望 4 7 6 1 研究总结。4 7 6 2 研究展望4 7 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研工作 v 4 9 5 2 5 3 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 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。如果不设法 消除或平衡轴向力，则该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。 尤其是节段式多级泵和高扬程潜水泵，在这类泵中当叶轮同向排列时，在运 行的过程中产生很大的轴向力。虽然一般的多级泵都会安装平衡装置，但是由于 轴向力计算的不准确，在运行过程中还是会出现平衡装置损坏、严重时甚至会致 使电机烧坏等。因此，在轴向力的计算能否真实地反映出机组在运行过程中，流 体作用在转子上的实际轴向力，将直接影响着机组的安全可靠性。 目前，随着全球气候变暖，我国淡水资源日益匮乏，地下水被过度开采，农 业排灌用的泵也已向高扬程发展，导致高扬程离心泵的应用场合愈来愈多，市场 的需求愈来愈大。井泵是抽取地下水的主要设备，采用极大扬程设计法设计的斜 流式离心叶轮广泛应用于深井离心泵。斜流式离心叶轮就是对出口边进行斜切， 导致液流出口方向与轴线方向夹角不为9 0 。，该种型式的叶轮实质上就是斜向 出流的离心叶轮。关于径流式离心泵的轴向水推力，其计算方法已众所周知，对 其的研究也十分广泛。但是，关于斜流式离心叶轮的轴向水推力，国内外所进行 的研究还很少。而且一些计算公式差别很大，让人难以适从。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，而且对我国工业发展 水平的提高也具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 轴向力产生的原因 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 s ) ) 一书中，初步讨论了离心 泵轴向力产生的原因。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。通过查 阅国内外的资料，现将轴向力产生的主要原因总结如下【1 咽： 江苏大学硕士学位论文 1 盖板力 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。 2 动反力 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。 3 叶片上压力分布不对称引起的轴向力 扭曲叶片工作面和背面压力不同产生的力。对于圆柱形叶片，传统的计算公 式中该项力不作考虑。但目前还没有适当的方法计算此力。 4 叶轮流道内的压力分布不对称所产生的轴向力 由于叶轮流道内同一直径上，流体在前后盖板的压力不相等产生的轴向力。 压力分布不对称引起的轴向力和叶轮流道内的压力分布不对称所产生的轴向力 都较小，可忽略。 5 转子重量产生的轴向力 对于立式泵，转子重量也是轴向力的组成部分，对于卧式泵，该轴向力则不 存在。 6 轴端等引起的轴向力 轴端等结构因素引起的轴向力。 1 2 2 常用的轴向力研究方法 现有的轴向力计算方法有：理论推导的代数式、在大量测量基础上总结的经 验公式、试验测量和数值模拟。其中理论推导的代数式是在进行了一些简化和假 设的条件下推导出来的，实践证明其误差较大，与实际测量值相比误差可能超过 2 0 。在测量基础上总结的经验公式受样机结构限制，对不同结构的轴向力计算 就会有很大的误差。试验测量是最为准确的，但是必须做出产品才能进行测量计 算，而不能在设计阶段使用该种方法。数值模拟为分析水泵内部复杂流场提供了 2 江苏大学硕士学位论文 一种新的手段，由李启锋等人的研究中已经知道，对于轴向力的计算，数值模拟 值和试验测量值是比较接近的，所以采用数值模拟来预测轴向力是一种比较可行 的方法，具有比较好的实用价值。 1 2 3 常用的轴向力平衡措施 如果不设法消除或平衡作用在叶轮上的轴向力，该轴向力将拉动转子轴向窜 动，与固定零部件接触，造成泵零部件的损坏以至于不能工作，因此轴向力的平 衡问题一直是水泵行业的难点和热点问题。目前常用的平衡轴向力的方法有：止 推轴承、平衡孔或平衡管、叶轮对称布置、背叶片、平衡盘和平衡鼓等【叫。 ( 1 ) 止推轴承 对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承平衡轴向力，通常是简单而经济的 方法。即使采用其他的平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，一般也装设推 力轴承。 ( 2 ) 平衡孔或平衡管 叶轮后盖板上附设密封环，密封环所在直径一般与前密封环相同，同时在后 盖板与叶轮进口之间开孔，或设置专用连接管道与吸入侧相通。由于液体流经密 封环间隙的阻力损失，使得密封环内部的液体压力下降，从而减小作用在后盖板 上的轴向力。减小轴向力的程度取决于孔的数量及孔径的大小。需说明的是密封 环和平衡孔是相辅相成的，缺少任何一个都无法实现平衡轴向力的效果。开平衡 孔导致了容积损失的增加，其泄漏量一般为设计流量的2 巧。另外，通过平 衡孔的泄漏流与进入叶轮的主流相撞击，破坏了叶轮内部正常的流动状态。也有 的泵在泵体上开孔，通过管线与吸入管相连，但使结构变的较为复杂，平衡腔内 液体的回流不畅或堵塞，会造成平衡腔内的压力上升，将会造成重大的机械事故。 ( 3 ) 叶轮对称布置嘲 多级泵的叶轮半数对半数，面对面或者背靠背地按一定次序排列起来，可使 轴向力基本相互平衡，如图1 - 1 所示。叶轮对称布置，只有结构完全相同的条件 下，轴向力的平衡效果才能最好。而当多级泵各级的泄漏量不同，或各级的轮毂、 轴台不相同时，都会产生一定的轴向力，此时剩余轴向力仍需止推轴承来承受。 叶轮个数为奇数时，仅只有一级叶轮产生的轴向力无法平衡。采用叶轮对称布置 的结构，虽轴向力得以解决，但结构复杂，损失较大。 3 江苏大学硕士学位论文 图1 - 1 叶轮对称布置结构示意图 ( 4 ) 背叶片 在叶轮的后盖板上加做几个径向肋筋，称为背( 副) 叶片。当叶轮旋转时，背 ( 副) 叶片强迫液体旋转，液体的旋转角速度增加，后泵腔的静压力降低，从而液 体作用于叶轮上的一部分轴向力得以平衡，但是会增加轴功率，致使效率降低。 图1 2 背叶片平衡轴向力 ( 5 ) 平衡盘平衡轴向力 平衡盘多用于节段式多级泵，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转，如图 1 3 所示。平衡盘是靠泄漏产生压差工作的，没有泄漏，就没有平衡力。因此， 应该设法在最小的泄漏下产生大的平衡力。平衡盘像一个浮动的液体润滑轴承， 与平衡鼓不同的是，它能自动平衡轴向力，这是因为平衡盘的轴向间隙和径向间 隙相辅相成的作用结果。泵在工作过程中，由于工况点的变化和密封环磨损等原 因，轴向力也相应变化，转子作相应移动以达到新的平衡。平衡盘的工作过程， 是处于运动平衡的过程，平衡是暂时的、相对的。泵在运转中，过大的移动是不 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变化， 即提高平衡盘的灵敏度。平衡盘的使用在一定程度下降低了泵的容积效率，而且 泵在刚启动和停止时转轴的轴向移动，极易造成平衡盘的磨损，疏于维修时，更 能造成叶轮和泵体间的磨损和损坏。 鉴于平衡盘的工作具有左右移动的特点，一般不配备止推轴承。但是，为了 4 图1 - 3 平衡盘平衡轴向力 1 2 4 国内轴向力平衡装置研究现状 ( 1 ) 平面推力球轴承 文献【9 1 通过大量的计算与实践提出了一种新的轴向力平衡方法，采用平面推 力球轴承来平衡部分节段式多级离心泵的轴向力。当泵启动及运行时，平衡盘与 平衡环保持l m m 左右的间隙，平衡盘平衡剩余的轴向力由平面推力轴承来承担， 其转子部件没有轴向位移，平衡盘的磨损也就避免了。这种平衡盘已经不是平衡 盘而是一种平衡鼓了，一般平衡鼓依靠径向间隙而这种平衡鼓依靠轴向间隙平衡 轴向力。 ( 2 ) 浮动叶轮自动平衡轴向力【1 0 l 基于对平衡一些特殊用途泵( 如磁力泵、屏蔽泵、多级潜水泵等) 的剩余轴 向力的研究，刘在伦在2 0 0 8 年提出了一种浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力装置， 通过平衡孔起调压作用，该浮动叶轮在上下浮动极限内，处于上下游动的状态， 时时寻求自我水力平衡。因此，具有自动平衡轴向力的能力。当叶轮在上下移动 时，流经平衡孔的过流量也在随之变化，引起了平衡腔内压力也在不断变化，所 以，该种型式的叶轮的平衡是暂时的、相对的。 ( 3 ) 平衡盘和平衡鼓三间隙组合平衡装置 为了降低泄漏量提高泵的效率，文献【1 1 】介绍了一种海水淡化用多级泵用组合 型平衡装置。平衡装置中有三个间隙：平衡套与平衡盘平衡环形成的径向间隙 幻，平衡盘的轴向间隙幻以及径向间隙幻，其中间隙易也可看做是平衡鼓的径 向间隙。平衡盘后面的平衡室与泵吸入口连通。通过这三个间隙产生压力差，使 得平衡装置产生一个与叶轮受到的轴向力相反的力，来平衡叶轮所受轴向合力。 5 江苏大学硕士学位论文 图1 _ 4 平衡盘计算原理图 1 一平衡套2 一平衡盘的平衡环3 一平衡鼓的平衡环4 一平衡盘( 亦可看做平衡鼓) ( 4 ) 叶轮自身平衡轴向力新型井泵 江苏大学流体机械工程技术研究中心在2 0 0 6 1 0 0 3 8 5 9 6 x 【1 2 】发明专利中提出 了一种新型井泵的轴向力平衡方法，通过减小叶轮后盖板直径来减小叶轮所受的 轴向力。在井泵中，无论是采用端面密封或是径向密封，该种型式的叶轮都可以 被运用，并且在采用端面密封的叶轮上可以实现轴向力的自平衡。本文将在下面 的章节中对这种结构型式的轴向力进行研究。 1 2 5 口环间隙对轴向力及泵性能的影响 口环间隙是采用径向密封的叶轮中所普遍存在的一种间隙，它的存在不仅产 生了容积损失，还改变了离心泵内部流场的结构，从而对泵效率及轴向力产生重 要的影响。但由于口环间隙尺寸较小，内部流动较为复杂，所以在以往的数值模 拟过程中几乎都未作考虑，也就忽略了该间隙对泵性能的影响，因此过去对包含 口环间隙内流动的全流场的数值模拟的研究也较少。 丛小青在( 1 9 9 8 年) 对离心泵泵腔边界层内的流动进行分析，通过简化了的 n s 方程推导出泵腔内压力分布与泄漏量的关系【1 3 】。 李文广【1 4 1 等采用试验方法研究了口环间隙对离心油泵性能的影响，考虑了 前后口环的变化以及不同流体粘度对泵性能影响的影响规律，得到了不同口环间 隙下输送不同粘度流体时离心油泵的特性曲线，得出：在某一粘度下，前口环间 隙增加引起泵性能的变化比后口环大，前后口环同时增加对泵性能的影响最大； 口环间隙对性能的影响随粘度的增加而被削弱。 张克危等【1 5 1 利用c f d 分析软件s t a r c d 对混流式水轮机上冠和下环的空 6 江苏大学硕士学位论文 问区域进行了数值模拟，主要分析了间隙变化对泄漏量及轴向水推力的影响。 陈鱼等【1 6 】采用试验方法对输送清水时不同口环间隙对离心油泵的性能影响 做了具体研究与对比。研究结果表明，口环间隙的改变对离心油泵的性能有较大 影响，其中前口环对性能的影响比后口环的影响要大。口环间隙的改变对离心油 泵最优工况参数也有影响，流量改变一般在2 m 3 h 之内，扬程下降最多可达6 m ， 效率下降可达8 。 王洋【1 7 】通过对口环间隙和不同型式叶片的试验研究，说明口环间隙对泵效 率的影响与叶轮叶片的型式无关。对低比转速离心泵中的圆盘摩擦损失进行了分 析，推导出了一种考虑泄漏量的计算方法，进而得出低比转速离心泵的圆盘摩擦 损失随口环间隙的增大而减小，机械效率提高，但容积效率是随泄漏量增加而降 低的，泵的总效率依然随泄漏量的增加而降低。通过分析，得出效率随口环间隙 增大而减小，而且减小的速率很大。在低比转速离心泵中，欲提高泵的效率，可 减小泵的口环间隙。 文献【1 8 】中利用c f d 对不同口环间隙下的计算模型进行了数值模拟，得到了 不同口环间隙下整机的外特性曲线以及内部流场数据，分析得出了口环间隙变化 对轴向力的影响较大，其中前后口环间隙同时变化及仅前口环间隙变化时对轴向 力的影响较仅后口环间隙变化时大；分析认为三种情况中以前口环间隙对轴向力 的影响最大；口环间隙变化对径向力的影响不大。考虑到口环间隙变化对轴向力 和径向力的影响，为采用改变口环间隙来平衡轴向力提供了一定的参考。 1 3 发展趋势 近年来，由于计算机技术的发展以及数值模拟的理论和方法的不断成熟，数 值模拟的结果在精度上已有所提高，考虑到计算公式的精度不高以及试验所耗费 的人力财力，而数值模拟值却可以方便地获得，并可以利用其模拟得出的数据来 指导泵结构及水力模型的修改，数值模拟必然会成为一种预测轴向力的并寻求出 最优设计的很有效的方法。 7 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容 1 4 1 问题的提出以及意义 斜流式离心叶轮广泛应用于深井离心泵，其轴向力计算公式比较少，而且一 些计算公式差别很大，让人难以取舍，找出一个较为准确的斜流式离心叶轮的计 算公式对流体机械学术理论研究具有重大的意义。传统的轴向力计算公式中的盖 板力都是以前后泵腔内液体无泄漏，前后盖板像轮盘一样带动泵腔内的液体以 1 2 叶轮角速度像刚体一样做旋转运动为前提条件得出的。但在实际使用过程中， 不同的泵其泵腔的大小形状都不一，泵腔内的流动也就不一样，在非额定工况下 的流动较为复杂紊乱，因此假设与实际流动之间存在着较大的差别，导致一些传 统的计算公式计算结果准确度较差。 随着计算机技术以及c f d 技术的迅猛发展，数值计算已成为研究流动的一 种很好的方法。由于泵腔的尺寸较小以及泵腔内流动的复杂性，要对其进行准确 的二维测试是非常困难的，而数值计算却能较好地解决这一问题。从目前来看， 对流动的模拟计算主要集中在对流动影响比较大的流场上，如叶轮流道内的流 动，但对流动影响比较小的流场，如泵腔内的流动、口环间隙内的流动等的模拟 还相对较少。 轴向力的准确计算以及能较好平衡轴向力的结构设计可以保证多级泵可靠， 稳定的运行，减少多级泵的检修部位以及增加更换部件的周期。本课题研究将提 高深井离心泵的使用可靠性，也可以提高深井离心泵的效率。 1 4 2 研究的主要内容和方法 ( 1 ) 将根据资料查找出来的几个斜流式叶轮的轴向力计算公式分别对同一 个叶轮进行最初的轴向力的计算。再利用c f d 软件对这个离心泵叶轮进行数值 模拟，由数值模拟的结果来对由传统公式计算得到的结果进行验证，分析为什么 会得到不一样的结果，找出公式中存在的问题或者不合理的地方。对某新型深井 离心泵的模型泵进行试验研究，由于是对一台已经设计好的泵来进行研究的，所 以可以省略优化设计的程序，直接进行轴向力测定，再用测定值来验证数值模拟 的准确性。综合数值模拟值和试验值来确定哪个轴向力计算公式最为接近真实 值。 8 ( 2 ) 传统的计算公式中都是假设泄漏量为零，但在实际运转过程中泄漏量是 真实存在的，并且随着泵的运行，密封环磨损，口环间隙加大，泄漏量发生变化， 从而影响轴向力的大小。由于口环间隙随着泵的运行发生变化，难以通过测量的 手段来获得其大小，并且间隙内的流动较为复杂，间隙尺寸小又导致难以使用试 验手段对其进行测量，而对小间隙内的流动进行数值模拟是一种比较有效可行的 方法。因此本文拟对某新型深井离心泵的模型泵在3 种不同口环间隙下进行数值 模拟，以此来研究口环间隙与轴向力之间的关系。 ( 3 ) 由资料可知通过切除后盖板是可以平衡一部分轴向力的，但后盖板的直 径也不是任意减小的，通过单因素优选法来找出这个效率最高点对应的后盖板的 直径。 ( 4 ) 通过加工几组不同后盖板直径的叶轮来进行样机试验，验证数值模拟的 准确性，并对优化设计好的泵进行轴向力的非定常模拟。 ( 5 ) 对于采用端面密封型式的叶轮，可以通过改变端面密封的宽度来平衡剩 余轴向力。理论上，减小密封端面的宽度，轴向力是减小的。但是实际上在端面 宽度很小时，由于接触面积十分的小，端面比压就会相当的大，就会产生很大的 磨损，所以我们考虑加大端面密封的宽度。虽然轴向力是加大了，但是端面比压 会下降，摩擦磨损必然会减小，也就达到了最初要减少轴向力的目的，即减轻磨 损。此时由于泄漏量的减小，容积效率就会增加，总效率也必然会增加。由于端 面密封型式的叶轮轴向力较难准确测定，本文通过数值模拟探讨轴向力随密封端 面面积变化的趋势。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章斜流式离心叶轮的轴向力计算方法与试验值的对比 本章将对一台已经优化设计好的某新型深井离一t l , 泵的模型泵进行试验研究， 进行轴向力测定，再用测定值来验证传统的计算公式以及数值模拟的准确性，并 从一些现有的斜流式叶轮轴向力公式中探究出较为准确的计算公式。 2 1 轴向力公式计算 传统的斜流式叶轮的轴向力计算公式中均有如下假设【1 9 1 。 2 0 l ：( 1 ) 流体在泵 腔内摩擦力为零；( 2 ) 叶轮口