CN105422499A - 一种自平衡轴向力调节结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种自平衡轴向力调节结构。本发明包括泵壳体及泵轴；至少在首级叶轮和次级叶轮之间的一段泵轴轴身处设置辅助轴向平衡组件；辅助轴向平衡组件包括分别同轴套设于泵轴上的可动推力盘、静止推力盘以及反向推力环；所述静止推力盘固定于首级叶轮的反导叶处且与泵轴间存有活动间隙，可动推力盘及反向推力环固定于泵轴上；至少在可动推力盘与静止推力盘的相邻端间以及静止推力盘与反向推力环的相邻端间均存有轴向间隙，且该轴向间隙连通首级叶轮腔、静止推力盘与泵轴间的活动间隙以及次级叶轮腔。本发明可作为目前主流平衡系统的辅助组件而存在，从而提升平衡毂等平衡系统的承力负担。

Description

一种自平衡轴向力调节结构

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种自平衡轴向力调节结构。

背景技术

众所周知，离心泵是一个通过电机带动转子转动，从而将液体介质升压输送到所需要的地方的一种通用机械设备。在工作时，转子使液体介质产生压力的同时，液体介质亦对转子产生压力，该压力必然推动转子产生轴向移动，最终影响离心泵的正常运作。同样，伴随着转子的自身转动，泵轴也会对固定该泵轴的泵壳体产生径向压力。为此，必须设法消除或平衡上述轴向力及径向力。目前多级离心泵内的力平衡系统，多采用最后一级叶轮后面增设平衡毂、或平衡盘与平衡毂相互作用甚至配合推力盘等结构来消除泵内的轴向力和径向力。然而，人们发现，单纯使用这种平衡系统，泵体工作时往往会使得全部轴向力均作用在平衡毂断面上，极易引起接触断面摩擦，产生发热烧伤现象，甚至使平衡毂或推力轴承失效，最终严重影响泵正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的自平衡轴向力调节结构，其可在保证设备正常可靠工作的前提下，作为目前主流平衡系统的辅助组件而存在，从而提升位于最后一级叶轮处的平衡盘及平衡毂等平衡系统的承力负担，其结构紧凑度高，泵体工作效率及工作稳定性亦可得到进一步提升。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种自平衡轴向力调节结构，包括泵壳体，以及位于泵壳体的泵腔内并与泵腔构成转动配合的泵轴；泵轴沿轴向依次设置多级的用于泵送液体介质的叶轮单元，其特征在于：至少在首级叶轮和次级叶轮之间的一段泵轴轴身处设置辅助轴向平衡组件；所述辅助轴向平衡组件包括分别同轴套设于泵轴上的可动推力盘、静止推力盘以及反向推力环，且上述三者沿泵轴轴向并由首级叶轮处向次级叶轮方向依次布置；所述静止推力盘固定于首级叶轮的反导叶处且与泵轴间存有活动间隙，可动推力盘及反向推力环固定于泵轴上；至少在可动推力盘与静止推力盘的相邻端间以及静止推力盘与反向推力环的相邻端间均存有轴向间隙，且该轴向间隙连通首级叶轮腔、静止推力盘与泵轴间的活动间隙以及次级叶轮腔。

静止推力盘外形呈孔壁为阶梯孔的套筒状构造，且其大孔径端朝向可动推力盘所处方向；可动推力盘与反向推力环外形均呈环套状结构，可动推力盘的靠近静止推力盘所在端沿泵轴轴向延伸至静止推力盘的孔壁内，可动推力盘的端部与静止推力盘的孔肩之间间隙构成上述两者间的轴向间隙。

所述可动推力盘端部与静止推力盘的孔肩间的轴向间隙大于可动推力盘外壁与静止推力盘相应配合孔壁间的径向配合间隙。

所述静止推力盘的小口径端所在端部设置有外翻边，并与反导叶上的由次级叶轮腔处轴向内凹的沉槽间构成止口配合；反向推力环外形呈靠近静止推力盘的一端外径大而另一端外径小的锥台形套筒状构造；静止推力盘的该外翻边所在端面与反向推力环之间间隙构成上述两者间的轴向间隙。

反向推力环的外壁呈现由一端向另一端圆滑过渡，以吻合次级叶轮腔的内壁曲线的平滑曲面结构。

所述首级叶轮同轴固定于泵轴的端部处；所述反导叶的靠近首级叶轮腔所在端的孔壁处同轴套设有反导叶口环，以与首级叶轮轮体后端间构成用于平衡径向力的间隙配合，首级叶轮前端与位于泵腔内同轴套设的泵盖口环间构成用于平衡径向力的间隙配合；所述的首级叶轮和泵盖口环配合段的轴向长度为反导叶口环轴向长度的2～5倍。

本发明的有益效果在于：

1)、在传统的采用平衡毂等主流平衡系统的基础上，通过增设辅助周向平衡组件，从而起到了均衡分流泵体轴向力的目的，以达到降低平衡毂的断面作用力，和减少主流平衡系统的发热烧伤乃至失效状况，最终确保整个泵系统的正常可靠工作。

实际上，传统的平衡毂受热或轴向力轴承工作失效，一直是目前泵系统产生运作缺陷的一大原因。目前本领域内对于该种主流平衡系统受创，始终无行之有效的处理方式。本文通过大量的试验及理论数据，发现传统平衡系统过于着重离心泵运作后平稳阶段的单向轴向力平衡，而忽略了泵体启动阶段时泵腔内压力的急剧变化和反馈给泵轴的巨大颤动力。尤其是泵腔内压力的急剧变化，反应在泵轴的轴向力上时，往往是频繁的轴体双向动作而不是单向受力，该状况显然是传统的主流单向平衡系统所不能解决的。本文通过另辟蹊径的提出以设立可双向平衡的辅助轴向平衡组件，从而无论是在泵体运行阶段还是平稳阶段，均可起到分担平衡毂等主流系统的工作负担，保证其正常可靠工作的目的。尤其是在泵体的初始运行阶段，通过轴向设立并沿静止推力盘两侧分置的可动推力盘和反向推力环，利用由高压端向低压端沿上述活动间隙和轴向间隙的液体介质流动，从而使得两两间端面的轴向间隙所产生的水膜具备高效的“双向”轴向力的平衡和吸收效果。实际试验数据表面，每一个辅助轴向平衡组件，可承担主流平衡系统25％的工作负担，从而极大程度上实现对平衡毂乃至推力轴承等结构的在线保护目的。

2)、由于采用了首级叶轮和次级叶轮间安置辅助轴向平衡组件的方案，因此，实际操作时，需要延长相应反导叶的长度，以使得首级叶轮腔与次级叶轮腔之间间距稍微增大，从而满足安入辅助轴向平衡组件的需要。此外，通过静止推力盘的阶梯孔来包容可动推力盘，从而通过控制两者间的轴向间隙而大于其径向间隙，使得液体介质在流经两者的上述间隙时，能够可控的更多的容纳于可动推力盘和静止推力盘的端面之间的轴向间隙处，并形成“易进不易出”的迷宫结构，以确保该轴向间隙处水膜的快速形成。同理，反向推力环和静止推力盘之间，则通过外翻边和反向推力环的锥台状结构，从而达到适当增大两者端面配合面积，配合反导叶的沉槽结构，以达到最大化的保证两者具备适度的水膜形成面积。

3)、反向推力环外壁处所呈现的曲面结构，是为适配次级叶轮腔的内壁曲线而设计，从而保证水流沿首级叶轮腔灌入次级叶轮腔时，不会因次级叶轮腔内的起伏结构而导致水力损失状况，以保证泵体的实际工作效率。

4)、在前述辅助轴向平衡组件设立的同时，本发明还设置有可平衡径向力的环面间隙配合结构。通过在首级叶轮轮体两端分别安置泵盖口环以及反导叶口环，泵体启动平稳后乃至启动时，都能够通过各口环间的间隙配合所形成的水膜，达到其径向力平衡乃至抵消效果。首级叶轮和泵盖口环的配合段轴向长度为反导叶口环轴向长度的2～5倍，一方面该数据经过严密的实际论证，可最大化的保证水膜的形成和实现径向力的最佳平衡效果。另一方面，该结构会使得首级叶轮的前端具有较长的轴向尺寸，从而可起到极佳的整流效果，更有利于改善泵的水力性能和提升泵的实际工作效率，一举多得。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为图1的I部分局部放大图；

图3为辅助轴向平衡组件的结构装配图；

图4为图1的II部分局部放大图；

图5为图1的III部分局部放大图。

图中标号所对应本发明的各部件名称如下：

10-泵壳体11-沉槽12-泵盖口环

20-泵轴

31-可动推力盘32-静止推力盘32a-外翻边33-反向推力环

40-首级叶轮41-反导叶41a-反导叶口环

50-次级叶轮

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-5对本发明的具体实施结构及工作流程作以下描述：

本发明的具体工作结构，如图1-5所示，主要由以下部件装配而成：构成主要基体的泵壳体10，泵壳体10具备泵腔。在泵腔内安置泵轴20，并沿泵轴20轴向依次设置多级的叶轮构造以构成本发明的多级离心泵结构。图1所示中，本发明是在首级叶轮40和次级叶轮50之间的一段泵轴上安设辅助轴向平衡组件。而在实际应用中，由于该辅助轴向平衡组件的功能主要为分担主流平衡组件，如平衡毂等部件的轴向受力负担，因此其安装数目和安装位置也可沿泵轴20的轴向作相应的适应性调整。辅助轴向平衡组件，如图2-3所示，包括依次套设在泵轴20上的可动推力盘31、静止推力盘32和反向推力环33，其中可动推力盘31可直接一体化的固定于首级叶轮40的轮体后端面处。静止推力盘32同轴套设并固定在反导叶41孔壁内，静止不动，且与反向推力环33间存在轴向间隙。可动推力盘31一端面与首级叶轮40的轮体后端面相连，并嵌套在静止推力盘32的阶梯孔内部，且与静止推力盘32的孔肩之间同样有一定的轴向间隙。这样，当泵轴20旋转时，静止推力盘32作为轴向力承力件，在其两端的与相应部件的轴向间隙处均可产生一定的水膜，从而达到平衡轴向力的目的。

在首级叶轮40的轮体前后端处，则如图4-5所示的，相应设置构成间隙配合的各口环部件。各口环部件可以看作是构成了可平衡泵体径向力的彼此具备间隙的滑动轴承配合。当泵旋转时，受径向力的作用使泵轴20沿径向偏移，此时依靠各滑动轴承间的间隙配合所形成的水膜，达到动态平衡目的，以平衡相应径向力。

本发明实际工作时，随着泵体的启动，构成泵腔的各叶轮腔内的液体介质开始产生激荡和高低压力，该压力会促使叶轮乃至泵轴20产生沿其轴向的双向串动而不是单纯的单向动作，而该动作会急剧威胁到平衡毂等传统平衡系统的工作状态。此时，辅助平衡组件受到两相邻叶轮腔的高低压影响，高压腔内的液体介质会有部分沿预先设置的流道，也即可动推力盘31与静止推力盘32间、静止推力盘32与泵轴20间以及静止推力盘32与反向推力环33间的预留通道行进。随着液体介质的行进，液体介质随之会填充至可动推力盘31与静止推力盘32间以及静止推力盘32与反向推力环33的端面之间，通过设计各间隙宽度，从而在该处快速形成可吸收轴向力的水膜环境。随着上述水膜环境的形成，泵轴20虽然持续具备轴向串动的趋势，但该趋势不断的被一个甚至多个的辅助轴向平衡组件所消除，最终达到泵体可靠启动乃至启动时对于主流平衡系统的保护目的。而在泵体启动完毕而稳定工作时，辅助平衡系统仍具备一定的轴向力平衡功能，同样可起到对于目前主流的诸如平衡毂之类平衡系统的功能分担效果，最终对提升泵体工作效率，保障泵体实际工作能力乃均可起到有利影响。

Claims (6)

1.一种自平衡轴向力调节结构，包括泵壳体(10)，以及位于泵壳体(10)的泵腔内并与泵腔构成转动配合的泵轴(20)；泵轴(20)沿轴向依次设置多级的用于泵送液体介质的叶轮单元，其特征在于：至少在首级叶轮和次级叶轮之间的一段泵轴轴身处设置辅助轴向平衡组件；所述辅助轴向平衡组件包括分别同轴套设于泵轴(20)上的可动推力盘(31)、静止推力盘(32)以及反向推力环(33)，且上述三者沿泵轴(20)轴向并由首级叶轮(40)处向次级叶轮(50)方向依次布置；所述静止推力盘(32)固定于首级叶轮(40)的反导叶(41)处且与泵轴(20)间存有活动间隙，可动推力盘(31)及反向推力环(33)固定于泵轴(20)上；至少在可动推力盘(31)与静止推力盘(32)的相邻端间以及静止推力盘(32)与反向推力环(33)的相邻端间均存有轴向间隙，且该轴向间隙连通首级叶轮腔、静止推力盘(32)与泵轴(20)间的活动间隙以及次级叶轮腔。

2.根据权利要求1所述的一种自平衡轴向力调节结构，其特征在于：静止推力盘(32)外形呈孔壁为阶梯孔的套筒状构造，且其大孔径端朝向可动推力盘(31)所处方向；可动推力盘(31)与反向推力环(33)外形均呈环套状结构，可动推力盘(31)的靠近静止推力盘(32)所在端沿泵轴(20)轴向延伸至静止推力盘(32)的孔壁内，可动推力盘(31)的端部与静止推力盘(32)的孔肩之间间隙构成上述两者间的轴向间隙。

3.根据权利要求2所述的一种自平衡轴向力调节结构，其特征在于：所述可动推力盘(31)端部与静止推力盘(32)的孔肩间的轴向间隙大于可动推力盘(31)外壁与静止推力盘(32)相应配合孔壁间的径向配合间隙。

4.根据权利要求2或3所述的一种自平衡轴向力调节结构，其特征在于：所述静止推力盘(32)的小口径端所在端部设置有外翻边(32a)，并与反导叶(41)上的由次级叶轮腔处轴向内凹的沉槽(11)间构成止口配合；反向推力环(33)外形呈靠近静止推力盘(32)的一端外径大而另一端外径小的锥台形套筒状构造；静止推力盘(32)的该外翻边所在端面与反向推力环(33)之间间隙构成上述两者间的轴向间隙。

5.根据权利要求4所述的一种自平衡轴向力调节结构，其特征在于：反向推力环(33)的外壁呈现由一端向另一端圆滑过渡，以吻合次级叶轮腔的内壁曲线的平滑曲面结构。

6.根据权利要求2或3或4所述的一种自平衡轴向力调节结构，其特征在于：所述首级叶轮(40)同轴固定于泵轴(20)的端部处；所述反导叶(41)的靠近首级叶轮腔所在端的孔壁处同轴套设有反导叶口环(41a)，以与首级叶轮(40)轮体后端间构成用于平衡径向力的间隙配合，首级叶轮(40)前端与位于泵腔内同轴套设的泵盖口环(12)间构成用于平衡径向力的间隙配合；所述的首级叶轮和泵盖口环(12)配合段的轴向长度为反导叶口环(41a)轴向长度的2～5倍。