离心泵叶轮轴向力自动平衡新方法

离心泵叶轮轴向力自动平衡新方法

蔡升

青海大美煤业股份有限公司青海西宁810000

摘要：离心泵结构简单、适用范围广、维修方便，其是泵产品系列的主力军。本文详细论述了离心泵叶轮轴向力自动平衡的新方法。

关键词：离心泵；叶轮；轴向力；自动平衡

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。另外，在泵的运行中若存在较大的轴向力，将使泵在工作时存在事故隐患，引发安全事故，从而影响生产，导致巨大的经济损失。所以，开展对离心泵轴向力自动平衡的研究不仅极其必要，而且具有重大的现实意义。

1离心泵叶轮概述

离心泵叶轮一般由叶片、前盖板、后盖板和轮毂等四部分组成。根据干版的庆幸，可分为闭式叶轮、半开式叶轮和开式叶轮等三种结构。①闭式叶轮是指叶轮流道相对封闭，在前盖板、后盖板与叶片形成封闭的流道。它适于输送养成高、清洁的液体场合。闭式叶轮又有单吸式叶轮和双吸式叶轮两种结构。②半开式叶轮是指叶轮流道半封闭，与闭式叶轮相比没有前盖板，适用于输送含有固体颗粒或杂质的液体。③无前、后盖板的叶轮称为开式叶轮，适用于输送浆状或纤维状的介质。

2斜流式叶轮轴向力平衡原理

当轴向力从叶轮后盖板指向前盖板时，叶轮在此轴向力作用下沿泵轴向进口方向移动，直至端面密封静环的位置，此时端面密封如同机械密封作用，叶轮前盖板处的液体压力达到最高，斜流式叶轮上将产生反向轴向力而推开叶轮，使叶轮进口的密封端面出现间隙，叶轮前盖板处的高压液体通过间隙向叶轮进口流动，其液体压力随之降低，叶轮上的轴向力自动平衡。

上述过程是一个动态的平衡过程，通常只要叶轮进口的端面密封存在间隙，叶轮前盖板处的液体压力就会明显降低，使叶轮自动到达平衡位置，而不必担心叶轮会过量向后移动。叶轮轴向力自动平衡的关键在于叶轮进口的端面密封处于类似机械密封的工作状态时，叶轮的轴向力方向能否从叶轮前盖板指向后盖板。

3斜流式离心泵叶轮上的轴向力分析

3.1端面密封处于密封状态时的叶轮轴向力

当叶轮进口的密封端面紧密接触而处于密封状态时，叶轮前后的各种轴向力分布如图1所示。在叶轮后盖板外径斜切的r4～r3环形区域内，由于叶片的作用，叶片间液体的圆周角速度与叶轮的旋转角速度基本相同。

另外，叶轮前盖板r2～r1环形区域是端面密封作用的区域。当叶轮进口的密封端面紧密接触而处于密封状态时，这个端面密封的作用机理与普通平行端面机械密封摩擦副作用机理类似。

3.2端面密封处于密封状态时的轴向力方向

根据式可计算出斜流式离心叶轮在叶轮进口的端面密封处于密封状态时的叶轮轴向力大小，但该计算复杂，且存在一些不确定因素，所以意义不大。为实现叶轮轴向力的自动平衡，更关心的是当叶轮进口的端面密封处于这个位置处时，能否产生反向轴向力推开叶轮。要求证这一点，只需求证在什么条件下此轴向力小于零即可。

3.3实例概况

潜水泵主要用于家庭清水或轻度污水的排放和车库、地基等积水排水场合，因其轻便美观，适用性广且价格低廉，深受广大用户青睐。以往这种型号水泵存在推力轴承设计不能满足实际要求，经常发生烧毁电机的情况。现应用轴向力自动平衡结构对上述型号的水泵进行改进，在此设计中，取r3为0.0675m，可满足轴向力自动平衡的条件。

4轴向力平衡的实践

4.1端面密封的设计

在叶轮进口的端面密封紧密接触时，叶轮上的轴向力方向会反过来，水泵正常运行时，叶轮轴向力会自动平衡，叶轮进口密封的动环和静环间一定有间隙，所以一般情况下，叶轮进口的端面密封不容易损坏。

由于压力求解的误差和端面密封紧密接触时会发生泄漏及在启动工况和变工况运行时，会导致端面密封的动环和静环发生摩擦，所以在实际设计时，需加大保险系数，加宽叶轮进口端面密封半径r2值。为达到更好的散热效果，可在叶轮接触面上开设几个环形槽(图2)，在减小接触面积的同时形成动压效应，从而在端面密封间隙内形成更大的反向推力，使轴向力自动平衡结构更可靠。

采取上述措施后，即使叶轮上的轴向力没有完全平衡，密封端面上的比压也会很小，密封端面将处于液体摩擦状态，因此，一般材料都能承受，且这一状态对提高水泵效率十分有利。

4.2推力轴承设计

本文介绍的结构可实现叶轮上的轴向力平衡，但这不等同于泵中的轴向力完全平衡。因叶轮在泵轴上浮动，轴上的轴向力与叶轮上的轴向力平衡无关，因此，必须设置推力轴承来承受泵轴上的轴向力。设泵轴上的轴向力为N，则，将＝1000kg/m3，H＝40m，ro＝0.006m。代入式中，得N＝44N。这是一个很小的力，它将对潜水电机内的推力轴承不会造成破坏。

4.3斜流式叶轮对离心泵效率的影响

潜水电泵的第一级导流壳用的是反导叶结构，这种情况下的斜流式叶轮效率比径流式叶轮效率要高。潜水电泵的第二级导流壳用的是蜗壳，蜗壳的流道中心线与叶轮流道中心线偏离了一些，这是为了顺应液体流出叶轮的方向，此种情况下的斜流式叶轮效率与径流式叶轮效率大小差不多。

井泵的实践证明，离心泵采用斜流式叶轮不会降低水泵效率。设计实践也证明，叶轮的浮动间距设计是需注意的问题，目前的经验取值为2～3㎜。

4.4斜流式叶轮的离心泵试验

某流体机械工程技术研究中心为100QJ4—99/18型深井离心泵的实际应用验证了这种创新设计方法的可行性。试验证明，此泵的效率比原先采用密封环加平衡孔的叶轮泵效率明显提高，达到55%左右(相应国家标准是51%)，其轴向力对叶轮端面和电动机内的推力轴承未造成损害。

5结语

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。通常，轴向力是一种有害力。所以，在研制内装式多级潜水泵时，发明一种斜流式离心叶轮配以端面密封和叶轮在泵轴上浮动的结构，其原理与先前的轴向力平衡方法不同，它具有自动平衡叶轮轴向力的能力。

参考文献：

[1]张翼飞.离心泵轴向力的自动平衡法[J]水泵技术，2015．

[2]施卫东.一种叶轮自身平衡轴向力的多级离心泵[J]中国流体机械术，2014．

[3]陆伟刚.井泵新系列研究与探讨[J]中国农村水利水电，2014．