CN105275832B - 一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多级泵多工况运行口环设计领域，尤其是一种提高离心泵稳定性口环流动控制装置，主要包括壳体、叶轮和口环本体，所述口环本体的内环侧表面中间开设有一个环形凹槽。所述口环本体的外表面涂覆有弹性材料层。通过改变口环结构可以改善转子的刚度，阻尼，进而改变转子的临界转速，优化多级离心泵的运行工况。本专利同时在口环内环嵌入弹性材料，改善口环附近的流动状况，提高泵的流动稳定性。

Description

一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置

技术领域

本发明涉及到多级泵多工况运行口环设计领域，尤其是一种提高离心泵稳定性口环流动控制装置。

背景技术

多级离心泵目前被应用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等行业，叶轮密封口环被用来阻止下一级叶轮的较高压力区通过泵轴和壳体间隙向前一级产生泄漏。叶轮密封口环间隙属于非接触式密封形式，其特点是水力直径小，工作液体具有一定粘度，从而产生很高的流阻，以保持较小的泄漏损失。目前国内对密封口环部件的研究主要是减少泄漏，保持级间压力，偏向防泄漏和防磨损两个研究领域。

多级离心泵工作时，转子结构会发生振动。当叶轮的转速升高到某个特定值时，由于不平衡离心力引起共振，使转轴发生剧烈振动，此时泵的转速达到临界转速。对于多级离心泵而言，转子部件结构复杂，存在很多环形间隙部件，这些部件影响着转子结构的刚度、阻尼等因素，因此多级泵的可靠性、稳定性方面还有待于进一步提高。

目前，流体科学中对线性转子系统的建模和分析的计算方法已经比较成熟，概括起来主要分为以下几大类：有限元法，递矩阵法，模态综合法和动刚度法。其中最常用的方法是传递矩阵法和有限元法。运用线性转子系统的建模和分析方法作为研究工具，通过调整多级离心泵密封口环间隙的大小与口环结构的改变，为寻找离心泵内部的流动特性、外部水力性能，以及离心泵的轴向力之间的联系提供了可能。

发明内容

由于密封口环与叶轮接触处摩擦较大，间隙处流动状态为湍流形式，对转子结构的支承力不是很大，本发明的目的在于通过改善口环结构，提供一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置，包括壳体、叶轮和口环本体，所述口环本体的内环侧表面中间开设有一个环形凹槽。

上述方案中，所述环形凹槽的横截面为矩形横截面。

上述方案中，所述口环本体高压侧未开凹槽处的内孔直径d’=D-（D-d）×10%，其中D为叶轮外径，d为叶轮轴的直径；所述口环本体低压侧未开凹槽处的内孔直径d”为叶轮进口外径。

上述方案中，所述环形凹槽的纵截面深度h为口环本体纵截面的低压侧厚度m的80%；所述环形凹槽的纵截面宽度n为口环本体纵截面宽度L的0.4~0.6倍。

上述方案中，所述口环本体的外表面涂覆有弹性材料层。

本发明的有益效果是：（1）通过在口环本体内环侧表面开设一个环形凹槽，在满足口环本体原有的防止介质倒流，抗磨损的功能下，当流体充斥于整个泵腔后，口环高压侧与叶轮之间存在间隙，流体通过间隙流入环形凹槽内，形成水环，类似于轴承作用，对转子结构提供支承力，提高了转子结构的刚度；（2）流体流经口环内部表面时，弹性材料发生变形，弹性表面对流体流动阻力增大，流固表面速度梯度改变，使得弹性材料附近流体近似于静止，不再呈现原先速度递增的情况，口环内部流体最终呈现近似匀速运动状态，减小了原先口环间隙湍流状态对转子的影响，避免过多的能量在流固界面的交换和损失。提高了多级离心泵转子的临界转速，避免了共振，优化了泵的工作运行工况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1 为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明中的口环本体纵向剖视图。

图3为本发明中的口环本体横向剖视图。

图4为本发明中带有弹性材料层的口环本体纵向剖视图。

图5位本发明在运行过程中口环本体的内部流体速度分布示意图。

图中，1. 壳体，2. 叶轮，3. 口环本体，4. 环形凹槽；5. 弹性材料层。

具体实施方式

如附图1所示，一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置，包括了口环结构和材料。该新型口环沿用传统口环材料，保证足够的刚度和耐磨性。口环本体3装在叶轮2进口端相对应的壳体1上，它是用来阻止叶轮出口高压液体向进口端回流的关键零件本。专利的创新在于，在口环本体3内环侧表面中间开设有一个环形凹槽4，如图2和图3所示，本实施例中的口环本体3和环形凹槽4的参数优选为：口环本体3高压侧未开凹槽处的内孔直径d’=D-（D-d）×10%，其中D为叶轮外径，d为叶轮轴的直径；所述口环本体3低压侧未开凹槽处的内孔直径d”为叶轮进口外径。环形凹槽4的横截面为矩形横截面，环形凹槽4的纵截面深度h为口环本体3纵截面的低压侧厚度m的80%；所述环形凹槽4的纵截面宽度n为口环本体3纵截面宽度L的0.4~0.6倍。根据多级离心泵不同的工作状况，即转子的转速不同，可选择不同大小的环形凹槽4的纵截面宽度n的数值，优选的，中低转速（980~1450转/分）时，选用环形凹槽4的纵截面宽度n的数值为0.4L~0.5L，高转速（1450~2900转/分）时，选用环形凹槽4的纵截面宽度n的数值，为0.5L~0.6L，得到的实验效果为最佳。之后在口环本体3的外表面整个涂覆弹性材料层5,，如图4所示，所述弹性材料层5优选为一层极薄的环形橡胶圈，将整个口环本体3包裹住，进一步优化口环性能。

多级离心泵工作时，流体充斥于整个泵腔，口环本体3高压侧与叶轮4之间存在间隙，流体通过间隙流入环形凹槽4内，形成水环，类似于轴承作用，对转子结构提供支承力，提高了转子结构的刚度；如图5所示，运用线性转子系统的建模和分析的计算方法可以很容易得到：流体流经口环内部表面时，弹性材料层5发生变形，弹性表面对流体流动阻力增大，流固表面速度梯度改变，使得弹性材料层5附近流体近似于静止，不再呈现原先速度递增的情况，口环内部流体最终呈现近似匀速运动状态，减小了原先口环间隙湍流状态对转子的影响，避免过多的能量在流固界面的交换和损失。提高了多级离心泵转子的临界转速，避免了共振，优化了泵的工作运行工况。

Claims (3)

1.一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置，包括壳体（1）、叶轮（2）和口环本体（3），其特征在于，所述口环本体（3）的内环侧表面中间开设有一个环形凹槽（4）；所述环形凹槽（4）的横截面为矩形横截面，所述口环本体（3）高压侧未开凹槽处的内孔直径d’=D-（D-d）×10%，其中D为叶轮进口外径，d为叶轮轴的直径；所述口环本体（3）低压侧未开凹槽处的内孔直径d”为叶轮进口外径。

2.根据权利要求1所述的一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置，其特征在于，所述环形凹槽（4）的纵截面深度h为口环本体（3）纵截面的低压侧厚度m的80%；所述环形凹槽（4）的纵截面宽度n为口环本体（3）纵截面宽度L的0.4~0.6倍。

3.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种可以控制多级泵转子稳定性的口环流动控制装置，其特征在于，所述口环本体（3）的外表面涂覆有弹性材料层（5）。