CN105570186B - 一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵 - Google Patents

一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵 Download PDF

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Abstract

一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，包括泵体、叶轮组件、泵轴以及轴套，泵轴的一端伸入泵体内部，泵轴通过轴套与泵体密封连接，泵轴与轴套间隙配合；叶轮组件安装在伸入泵体内部的泵轴的末端，叶轮组件与所述的泵体内部的叶轮安装腔间隙配合；叶轮组件包括叶轮、叶轮前盖板和叶轮后盖板，叶轮安装在叶轮前盖板和所述的叶轮后盖板围成的腔体内，叶轮后盖板外表面设置一圈与叶轮同轴的后口环；叶轮后盖板的后口环内直径比叶轮前盖板的前口环外直径大，后口环的外表面分布沟槽。本发明的有益效果是：叶轮内部流动平稳，减小了离心泵的振动，提高了离心泵的可靠性和效率；有效提高轴向力平衡的效果；泵轴处的射流孔能够抑制汽蚀现象的产生。

Description

一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵
技术领域
本发明涉及一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵。
背景技术
离心泵是生活中用途最广泛的通用设备之一，其结构简单，使用方便，效率较高。但是，在运行过程中，由于叶轮前后盖板的压力不同造成了离心泵轴向力的产生，轴向力的方向指向叶轮进口。不平衡的轴向力会加重轴承的工作负荷，对轴承不利，轴向力使泵转子向吸入口窜动，造成振动并可能使叶轮口环摩擦使泵体损坏。同时轴向力使轴承向吸入口窜动，造成叶轮与泵壳口环磨损，轴向力使密封弹簧压失调，降低密封使用寿命。甚至产生强烈的振动，严重的情况下使泵不能正常工作。
用于平衡轴向力的方法：
一是使用推力轴承，此方法只适用于轴向力较小的场合。
二是在叶轮上设计一个或者多个平衡孔，但是这种方法会造成输送介质的泄漏，由此造成离心泵效率的降低。另外，平衡孔的流体泄漏会对进入叶轮流体的流态造成破坏。平衡孔的大小常常根据经验选择，平衡的效果不是很理想。
三是采用双吸叶轮，但是双吸叶轮口环处更容易泄漏，效率也要低些。
四是在叶轮后盖板上添加背叶片，通过背叶片的旋转使得后盖板压力降低。
此外，离心泵在工作时，因流体与泵体之间存在摩擦损失，以及流体本身具有内摩擦，而且由于叶轮是高速旋转的，流动时产生漩涡与撞击，此在叶轮前后盖板与泵体间的缝隙处会出现漩涡并且造成一部分水力损失，该损失即为泵的水力损失，它包括摩阻损失与漩涡、撞击损失两部分。水力损失会使离心泵的效率下降，会对能源造成浪费。
目前在专利201210518253.9上，公开了一种能够自平衡轴向力的多级分段式离心泵，是通过叶轮前后盖板压力相等来达到轴向力平衡的目的。但此方案只适用于多级泵，即在泵轴上设置有至少两级叶轮。而本方明的方案是应用于单级单吸式离心泵上，而且采用了截然不同的结构。
同时，在离心泵的进口处是整个泵体内部压力最低的区域，因此容易发生汽蚀现象。当出现汽蚀现象后，离心泵内部会出现振动和噪声现象，严重时会造成离心泵的损坏。长期在汽蚀工况下运行，就会损坏叶轮，使叶轮金属剥落，发生腐蚀等现象。这不利于泵的平稳运行。而防止汽蚀现象发生的关键就在于使泵进口处的压力大于液体的饱和蒸汽压。
综述可知，采用必要的技术手段解决上述离心泵存在的问题具有重要的理论意义及工程应用价值。
发明内容
为了解决单级离心泵中所存在的轴向力过大的问题，二是解决叶轮前后盖板与泵体之间的缝隙处所存在的水力损失和缓解汽蚀的问题，本发明提出了一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵。
本发明所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，包括泵体、叶轮组件、泵轴以及轴套，所述的泵轴的一端伸入所述的泵体内部，所述的泵轴通过轴套与所述的泵体密封连接，所述的泵轴与所述的轴套间隙配合；所述的叶轮组件安装在伸入泵体内部的所述的泵轴的末端，所述的叶轮组件与所述的泵体内部的叶轮安装腔间隙配合；所述的叶轮组件包括叶轮、叶轮前盖板和叶轮后盖板，所述的叶轮安装在所述的叶轮前盖板和所述的叶轮后盖板围成的腔体内，并且所述的叶轮后盖板的后部构成平衡室，所述的后盖板的平衡室与叶轮吸入口相联，其特征在于：所述的叶轮后盖板外表面设置一圈与叶轮同轴的后口环；所述的叶轮后盖板的后口环内直径比所述的叶轮前盖板的前口环外直径大，并且所述的后口环的外表面分布沟槽。
叶轮安装腔的内表面设有多块周向排布的第一筋板和多块周向排布的第二筋板，其中所述的第一筋板表面与所述的叶轮前盖板间隙配合，所述的第二筋板表面与所述的叶轮后盖板间隙配合。
第一筋板、第二筋板的个数均为6块，所述的第一筋板、第二筋板均匀的排布在所述的叶轮安装腔的表面。
所述的沟槽为沿口环外表面轴向、周向或者斜向排布的仿生凹槽。
所述的仿生凹槽为沿轴向左右交替排列的凹槽。
所述的沟槽为沿后口环外表面周向排布环形仿生槽。
所述的沟槽的横截面为V型、U型或矩形。
所述的后口环为波浪形圆环。
所述的泵轴与所述的轴套之间的间隙作为中空区，泵体的扩散段通过连通管与泵轴连通，其中连通管的一端与扩散管固接、另一端与轴套固接；所述的泵轴上设有径向的连通孔和位于泵轴一端的轴向射流孔，其中所述的连通孔与连通管的出液端口对应，所述的泵轴的射流孔位于叶轮的进口位置并与叶轮安装腔连通；所述的连通孔与所述的射流孔连通；所述的连通管上配有控制阀。
平衡原理是：叶轮前盖板上的压力与叶轮后盖板上的压力相等，使得离心泵的轴向力自动平衡。这样有助于缓解整个轴承与轴的受力状态。此外，口环结构的加入使得叶轮处减少了平衡孔结构，减小了由此带来的流体的泄漏，消除了由于流体泄漏引起的入口处的扰动作用，提高离心泵的性能；为提高叶轮后盖板处的口环处高压区与低压区的密封效果，在口环上添加一系列的仿生沟槽结构。此外，仿生沟槽结构的加入能够提高压区域与低压区域的密封效果，提高轴向力平衡的效果；口环作用原理主要是破坏流体边界层的扰动作用，减少流体流动时造成的损失，改善口环处的密封效果。
为解决叶轮前后盖板与泵体之间的缝隙处所存在的水力损失的问题，分别在泵体前后沿圆周均布六块筋板。所述的筋板位于叶轮与泵体之间空隙区域，固连在泵体上。通过在泵体上加筋板能够有效地减少由于叶轮与蜗室之间动静干涉造成的二次涡和二次流等现象，从而提高效率。筋板的形状设计成流线型，这种设计更加符合流体动力学原理，有利于降低流体与筋板碰撞时的能量损失，有效提高离心泵效率。
为缓解叶轮进口处的汽蚀现象，在泵轴内部开一个射流孔，该射流孔位于泵轴一端。连通管一端连接扩散段，一端连接的是轴套；所述连通管上安装有阀门，其目的是为了在泵未发生汽蚀的情况下，高压处的流体不会流向叶轮内部，提高泵的效率和可操作性；所述的轴套不与泵轴一起旋转，在轴套中间区域留有一定的空间用于流体的流通。这样无需外接水源；所述的泵轴在与轴套相连接的部分开有两个通孔，用于将流体流入泵轴内中间的射流孔内。泵轴的射流孔位于叶轮的进口位置。利用射流处流体的高压提高进口处的压力，抑制汽蚀现象，提高泵的整体抗汽蚀性能。
本发明具有如下优点：本发明所述的离心泵轴向力自平衡方法，使轴承的寿命提高，消除了平衡孔的泄漏，叶轮内部流动平稳，减小了离心泵的振动，提高了离心泵的可靠性和效率。泵体上的口环结构提高了密封效果，有效提高轴向力平衡的效果。泵体上的筋板减弱了漩涡的强度，起到整流的作用，提高了离心泵的整体效率。泵轴处的射流孔能够抑制汽蚀现象的产生。射流供给的水来自压水室，无需外界提供水源，节约成本，无污染。
附图说明
图1为本发明叶轮的三维视图。
图2为本发明叶轮所受压力视图。
图3为本发明叶轮与泵体二维视图。
图4为本发明的叶轮剖视图。
图5为图3的A向视图。
图6为图3的B-B视图。
图7为叶轮口环的几种不同形式之一。
图8为叶轮口环的几种不同形式之二。
图9为叶轮口环的几种不同形式之三。
图10为叶轮口环的几种不同形式之四。
图11为沟槽口环C-C剖视图之一。
图12为沟槽口环C-C剖视图之二。
图13为沟槽口环C-C剖视图之三。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，包括泵体1、叶轮组件2、泵轴3以及轴套4，所述的泵轴3的一端伸入所述的泵体1内部，所述的泵轴3通过轴套4与所述的泵体1密封连接，所述的泵轴3与所述的轴套4间隙配合；所述的叶轮组件2安装在伸入泵体1内部的所述的泵轴3的末端，所述的叶轮组件2与所述的泵体1内部的叶轮安装腔间隙配合；所述的叶轮组件2包括叶轮21、叶轮前盖板22和叶轮后盖板23，所述的叶轮21安装在所述的叶轮前盖板22和所述的叶轮后盖板23围成的腔体内，并且所述的叶轮后盖板23的后部构成平衡室，所述的叶轮后盖板23的平衡室与叶轮21吸入口相联，所述的叶轮后盖板23外表面设置一圈与叶轮同轴的后口环231；所述的叶轮后盖板23的后口环231内直径比所述的叶轮前盖板22的前口环221外直径大，并且所述的后口环231的外表面分布沟槽232。
叶轮安装腔的内表面设有多块周向排布的第一筋板11和多块周向排布的第二筋板12，其中所述的第一筋板11表面与所述的叶轮前盖板22间隙配合，所述的第二筋板13表面与所述的叶轮后盖板23间隙配合。
第一筋板11、第二筋板12的个数均为6块，所述的第一筋板11、第二筋板12均匀的排布在所述的叶轮安装腔的表面。
所述的沟槽232为沿口环外表面轴向、周向或者斜向排布的仿生凹槽。
所述的仿生凹槽为沿轴向左右交替排列的凹槽。
所述的沟槽为沿后口环外表面周向排布环形仿生槽。
所述的沟槽的横截面为V型、U型或矩形。
所述的后口环为波浪形圆环。
所述的泵轴3与所述的轴套4之间的间隙作为中空区5，泵体1的扩散段13通过连通管6与泵轴3连通，其中连通管6的一端与扩散管13固接、另一端与轴套4固接；所述的泵轴3上设有径向的连通孔31和位于泵轴一端的轴向射流孔32，其中所述的连通孔31与连通管6的出液端口对应，所述的泵轴3的射流孔32位于叶轮21的进口位置并与叶轮安装腔连通；所述的连通孔31与所述的射流孔32连通；所述的连通管6上配有控制阀61。
工作原理可以用下式表示，即得：
式中Ra表示叶轮出口半径；Rb表示为叶轮前轮毂口环处半径；Rc表示为叶轮前轮毂半径；Rd表示为叶轮后轮毂半径；Re表示为叶轮后盖板口环内表面半径。如图2所示，Pab表示叶轮出口处到前轮毂口环处的平均压强，从叶轮出口处至叶轮前盖板口环处压强逐渐减小至Pb；Pc表示叶轮进口处的平均压强，Pae表示叶轮出口处到后轮毂口环处的平均压强，从叶轮出口处至叶轮后盖板口环处压强逐渐减小至Pe；Pd表示叶轮后盖板口环处到轮毂的平均压强。
压强Pa-Pb与Pa-Pe部分进行对比，Pa-Pb部分的接触面积比Pa-Pe大，而Pab与Pae压强大小相似，所以在该部分的力的方向是与液体进入叶轮时的流动方向相同。压强Pb-Pc与Pe-Pd部分进行对比，平均压强Pe比Pc大很多，所以力的方向是同液体进入叶轮时的流动方向相反。这两个力方向相反，因此离心泵轴向力可以自平衡，减小了离心泵的振动，提高离心泵整体的稳定性。
在叶轮后盖板添加一个口环使得叶轮能够进行轴向力的自平衡，有助于缓解整个轴承与轴的受力状态，提高离心泵轴承和泵轴的使用寿命。最大的益处在于，由于减少了平衡孔结构，自然也就减小由此带来的流体的泄漏，提高离心泵的效率和能源使用效率。
为了提高叶轮后盖板口环上部高压区域与下部低压区域的密封效果，在叶轮的后盖板口环处加入沟槽结构，沟槽结构的形状可以有多种形状。沟槽的排布可以是轴向排布，也可以是径向排布，甚至可以是斜向排布的，但是斜向沟槽加工会较困难。这样在叶轮高速运转的过种中，当高压流体流经此口环间隙，口环上的沟槽结构会阻碍流体的进入，起到良好的密封效果。
泵体上的口环结构是为了进一步提高两个高低压区域之间的密封效果，使高压区域的流体尽量少地进入低压区域，保持两个区域的压差。泵体后盖板上的口环也可以添加沟槽结构，与叶轮口环上的沟槽类似，提高轴向力平衡的效果。
所述离心泵口环可以有多种形态，如图6所示。口环上排布的是仿生凹槽，属于错开排布，而口环则是整齐排布，两者在排布有略有差异，但是都能起到密封的作用。口环是一个变形壁面的口环，在叶轮高速旋转的过程中，对减小阻力也有一定的效果。口环是一种排布有沟槽的口环。如图7所示。这些仿生沟槽均具有密封的效果，能够有效提高离心泵的使用效率。
此方案能减小损失的原因在于，离心泵在运行过程中，叶轮处于高速旋转，而泵体相对于叶轮是静止不动的，因此叶轮前盖板、叶轮后盖板与泵体之间的缝隙之间会产生大量的漩涡，这些漩涡会造成水力损失。通过在泵体上加筋板能够有效地遏制漩涡消散，起到整流的作用，从而提高能源使用效率。其分布如图4所示，筋板在泵体前后分别沿圆周均布，共6块。并且其形状为流线型，有利于减少筋板与流体碰撞过程中的水力损失。
为了抑制离心泵汽蚀的现象，在图3中，扩散段与泵轴之间联通一个连通管。这样就不需要再外接高压的水源，节省了成本。在连通管中间安装的阀门的作用是避免在泵未发生汽蚀的情况下启动装置，避免不必要的浪费，提高射流装置的可操作性，避免不必要的浪费。连接泵轴一端的连通管固定在轴套上，轴套不随泵轴一起旋转，在轴套中留有一定的中空区，如图5所示。泵轴上开有两个通孔。可用于流体通过。在与轴套接触的泵轴上开有两上通孔，用于流体进入泵中间的射流孔内，所图5所示。泵轴中间开有一个射流孔。
其工作原理是：高压的液体从压水室的扩散段中经过连通管后流出，经过阀门。若阀门关闭，则液体不会从高压区域流向叶轮内。而阀门打开后，液体从阀门经过，流入轴套区域，并且从中图5中的中空区经过两个通孔进入到泵轴内部的射流孔，最后高压的液体会从射流孔中射出。这样，离心泵进口处的压力可以大于饱和蒸汽压力，汽蚀的现象就可以得到抑制。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，包括泵体、叶轮组件、泵轴以及轴套，所述的泵轴的一端伸入所述的泵体内部，所述的泵轴通过轴套与所述的泵体密封连接，所述的泵轴与所述的轴套间隙配合；所述的叶轮组件安装在伸入泵体内部的所述的泵轴的末端，所述的叶轮组件与所述的泵体内部的叶轮安装腔间隙配合；所述的叶轮组件包括叶轮、叶轮前盖板和叶轮后盖板，所述的叶轮安装在所述的叶轮前盖板和所述的叶轮后盖板围成的腔体内，并且所述的叶轮后盖板的后部构成平衡室，所述的后盖板的平衡室与叶轮吸入口相联，其特征在于：所述的叶轮后盖板外表面设置一圈与叶轮同轴的后口环；所述的叶轮后盖板的后口环内直径比所述的叶轮前盖板的前口环外直径大，并且所述的后口环的外表面分布沟槽；所述的泵轴与所述的轴套之间的间隙作为中空区，泵体的扩散段通过连通管与泵轴连通，其中连通管的一端与扩散管固接、另一端与轴套固接；所述的泵轴上设有径向的连通孔和轴向的射流孔，其中所述的连通孔与连通管的出液端口对应，所述的射流孔与叶轮安装腔连通；所述的连通孔与所述的射流孔连通；所述的连通管上配有控制阀。
2.如权利要求1所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：叶轮安装腔的内表面设有多块周向排布的第一筋板和多块周向排布的第二筋板，其中所述的第一筋板表面与所述的叶轮前盖板间隙配合，所述的第二筋板表面与所述的叶轮后盖板间隙配合。
3.如权利要求2所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：第一筋板、第二筋板的个数均为6块，所述的第一筋板、第二筋板均匀的排布在所述的叶轮安装腔的表面。
4.如权利要求1所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：所述的沟槽为沿口环外表面轴向、周向或者斜向排布的仿生凹槽。
5.如权利要求4所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：所述的仿生凹槽为沿轴向左右交替排列的凹槽。
6.如权利要求4所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：所述的沟槽为沿后口环外表面周向均匀排布的环形仿生槽。
7.如权利要求6所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：所述的沟槽的横截面为V型、U型或矩形。
8.如权利要求1所述的一种能实现轴向力自平衡的单级离心泵，其特征在于：所述的后口环为波浪形圆环。
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