CN111720356A - 一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于透平机械技术领域，具体涉及一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，包括叶轮入口端、加强段和轮盘，轮盘上设有密封片，密封片的外径R_x在轮盘上，叶轮入口端F_inlet与加强段F_imp的轴向力的方向相同，轮盘F_disk与叶轮入口端F_inlet和加强段F_imp的轴向力的方向相反并且依次相加产生轴向推力合力，轴向推力合力为F表示，F等于0时轴向的力得到平衡。本发明提供了半开式离心式叶轮的轴向推力计算方法，基于压力分布积分和动量变化转换的迭代，求得较为精确的离心叶轮轴向推力，计算的轴向推力精确度高，轴向推力的计算和密封片位置R_x的确定可将轴向推力算出并通过F等于0来平衡轴向力，应用性极高。

Description

一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法

技术领域

本发明属于透平机械技术领域，涉及半开式离心压气机，具体涉及一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法。

背景技术

离心压气机在工业领域应用十分广泛，在离心压气机的运行过程中，轴向推力的平衡是一个十分重要的课题。传统的压气机轴向力计算方法均只注重闭式叶轮轴向力计算，并直接将计算方法带入到半开式的叶轮中，对于离心式压气机，由于叶轮结构的不同，叶轮增压后在叶轮轮盘前后会产生很大的压力差，从而也产生了很大的轴向推力，因此传统的这种计算方法误差极大，叶轮两个方向的轴向力无法平衡，推力会向一侧施加会使叶轮的一侧轴向力过大；为了平衡轴向推力，目前采用较多的三种方法分别为加装推力轴承、平衡鼓或平衡盘，这三种方法均存在成本高、占用空间大及使用寿命短等缺点。

发明内容

本发明提供一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，目的是精确计算离心式压气机等叶轮机械的轴向推力的计算和平衡方法。

为实现本发明的目的，本发明提供一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，其特点在于，包括叶轮入口端、加强段和轮盘，轮盘上设有密封片，密封片的外径R_x在轮盘上；所述叶轮入口端R1的轴向力为F_inlet表示，F_inlet为进口大气压对轮盘产生的静压力，F_inlet＝P₀×πR₁ ²，其中P₀为进口大气压，R₁是叶轮圆盘的进口半径；所述加强段的轴向力为F_imp表示，F_imp为气流冲量变化对叶轮的冲力和叶轮前静压力对叶轮作用力的合力，

dr dp，G₀为压气机质量流量，C₀为进口气流速度，P₁为叶轮进口静压，P₂为叶轮出口静压，R₂是叶轮上叶片的进口半径；所述轮盘的轴向力为F_disk表示，F_disk为叶轮背部的环状空腔的压力，

R₃是轮盘的小径，R₄是轮盘的大径，其中P₃为R₃对应空腔位置的压力；所述叶轮入口端F_inlet与所述加强段F_imp的轴向力的方向相同，所述轮盘F_disk与所述叶轮入口端F_inlet和所述加强段F_imp的轴向力的方向相反并且依次相加产生轴向推力合力，所述轴向推力合力为F表示，F＝F_inlet+F_imp+F_disk，默认从轮盘指向叶轮的方向为正方向，其中F_disk为正值，F_inlet和F_imp均为负值，F等于0时轴向的力得到平衡。

进一步的，所述轮盘轴向力F_disk，在轮盘的R₃位置接通大气的情况下，可将公式

dp简化为F_disk＝π(R₄ ²-R₃ ²)×P₂，此时，F_disk＝π(R₄ ²-R_x ²)×P₂₊F_disk＝π(R_x ²-R₃ ²)×P₃。

进一步的，所述轮盘通过密封片形成了背部空腔的形状，轮盘通过密封片将压力进行均匀的分布。

进一步的，所述密封片的齿的顶部距离叶轮背盘间隙控制在0.2～0.9mm之间。

本发明的有益效果是：本发明提供了半开式离心式叶轮的轴向推力计算方法，基于压力分布积分和动量变化转换的迭代，求得较为精确的半开式离心叶轮轴向推力，计算的轴向推力精确度高，较传统的利用闭式叶轮轴向推力计算方法直接套用的计算结果更为准确。同时，在轮盘上加装密封片并通过F等于0时轴向的力得到平衡来计算出密封片位置R_x，精确的轴向推力计算方法和密封片位置R_x的确定即可将轴向推力算出并通过F等于0来平衡轴向力，保证半开式离心式叶轮两侧的轴向推力可以基本抵消，计算精准度高，半开式离心式叶轮的工作可靠性高，这种离心叶轮轴向推力平衡方法不仅适用于半开式离心压气机叶轮，对闭式离心叶轮，离心式鼓风机、离心泵叶轮的轴向推力平衡同样均可以适用。本发明提供的轴向推力平衡方法结构简单，占用空间小，计算方便，计算的准确度高，计算出的推力的数值极为精准，具有很高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的轴向推力组成示意图；

图2是本发明的轴向推力平衡密封片的位置示意图；

图3是本发明的密封片的齿间隙示意图；

图4是本发明的密封片的截面结构示意图；

图中：1叶轮入口端，2加强段，3轮盘，4密封片。

具体实施方式

以下，将结合附图对本发明作进一步说明:

结合图1、图2、图3和图4所示，本发明所公开的一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，其特征在于，包括叶轮入口端1、加强段2和轮盘3，轮盘3上设有密封片4，密封片4的外径R_x设置在轮盘3上；所述轮盘3通过密封片4形成了背部空腔的形状，轮盘3通过密封片4将压力进行均匀的分布，所述密封片4的齿的顶部距离叶轮背盘间隙控制在0.2～0.9mm之间。

其中，R₁是叶轮圆盘的进口半径；R₂是叶轮上叶片的进口半径；R₃是轮盘3的小径；R₄是轮盘3的大径；R_x是密封片4的外径；R₁、R₂、R₃、R₄和R_x同轴心设置。其中，P₀为进口大气压；P₁为叶轮进口静压；P₂为叶轮出口静压；P₃为R₃对应空腔位置的压力；G₀为压气机质量流量；C₀为进口气流速度。其中，力的单位均为牛顿(N)，气压P的单位均为帕Pa，半径R单位为m。涉及的单位统一采用国际标准单位。

叶轮入口端1处R1位置的轴向力为F_inlet表示；加强段2的轴向力为F_imp表示；轮盘3的轴向力为F_disk表示；轴向推力合力为F表示，F＝F_inlet+F_imp+F_disk。叶轮入口端1的F_inlet与加强段2的F_imp的轴向力的方向相同，轮盘3的F_disk与叶轮入口端1的F_inlet和加强段2的F_imp的轴向力的方向相反并且依次相加产生轴向推力合力，轴向推力合力为F表示，F＝F_inlet+F_imp+F_disk，默认从轮盘3指向叶轮的方向为正方向，其中F_disk为正值，F_inlet和F_imp均为负值，F等于0时轴向的力得到平衡。

结合图1、图2所示，叶轮入口端1处R1位置的轴向力为F_inlet表示，F_inlet为进口大气压对轮盘3产生的静压力，F_inlet＝P₀×πR₁ ²，其中P₀为进口大气压，R₁是叶轮圆盘的进口半径；

结合图1、图2所示，加强段2的轴向力为F_imp表示，F_imp的力的方向可以参照图1中箭头的方向所示，F_imp为气流冲量变化对叶轮的冲力和叶轮前静压力对叶轮作用力的合力，

G₀为压气机质量流量，C₀为进口气流速度，P₁为叶轮进口静压，P₂为叶轮出口静压，R₂是叶轮上叶片的进口半径；在估算情况下，可根据公式

进行轴向力估算，本发明建议采用计算流体力学(CFD)相关软件如NUMECA或者CFX等进行静压分布积分求解，以提高计算准确率。

结合图1、图2所示，轮盘3的轴向力为F_disk表示，F_disk为叶轮背部空腔压力，

R₃是轮盘3的小径，R₄是轮盘3的大径，其中P₃为R₃对应空腔位置的压力；如果直接连通大气，则P₃取大气压，如果不连通大气，则可以通过计算或者实验的方法确定P₃值。建议通过CFD软件进行压力分布求解，并通过软件后处理程序进行准确的F_disk求解。

结合图1、图2所示，半开式离心叶轮的轴向推力为正值时，即F_disk大于F_imp和F_inlet的合力，因此平衡轴向推力需要降低F_disk。轮盘3轴向力F_disk，在轮盘3的R₃位置接通大气的情况下，可将公式

简化为F_disk＝π(R₄ ²-R₃ ²)×P₂，此时，F_disk＝π(R₄ ²-R_x ²)×P₂₊F_disk＝π(R_x ²-R₃ ²)×P₃。建议采用

结合CFD软件求解出准确的空腔区域静压分布，从而更为准确的求解F_disk，在叶轮转速、流量和压比确定情况下F_disk的大小与R_x直接相关，根据公式F＝F_inlet+F_imp+F_disk可以求得令F等于0时的R_x值，此时密封片4的安装位置得到确定。

本发明的技术要点在于轴向推力计算方法和密封片4位置R_x的确定即可将轴向推力算出并通过F等于0来平衡轴向力的方法，基于此进行的轴向力的平衡方法，密封片4无论采用片状密封，或者其他类型密封达到分割背部空腔区域压力分布的方法均应在本发明权利限制之内，本发明涉及的轴向力平衡方法所用的密封片4不限于单独的片状结构，也可以是整体的密封盘状结构。

实施例一

具体实施步骤如下：(a)依据F_inlet、F_imp、F_disk给出的公式方法计算出叶轮的轴向推力；(b)计算并确定叶轮背部空腔结构的平均静压或者压力分布；(c)依据公式计算出密封片4相对安装半径R_x的位置；(d)确定密封齿数量；(e)确定密封间隙。

公式一：F_inlet＝P₀×πR₁ ²；

公式二：

公式三：

及其简化公式F_disk＝π(R₄ ²-R₃ ²)×P₂，此时，F_disk＝π(R₄ ²-R_x ²)×P₂₊F_disk＝π(R_x ²-R₃ ²)×P₃；

公式四：F＝F_inlet+F_imp+F_disk，F等于0。

实施例二

提供一个压气机叶轮轴向推力平衡案例，密封片4可以由三个铜制密封片组成，通过铜制密封片4控叶轮背部空腔内的气压分布，从而实现背部推力控制，进而实现整体的轴向推力控制。在理论上可以完全抵消轴向力推力。

实施例三

结合图3所示，本发明建议密封片4的齿的顶部距离叶轮背盘间隙控制在0.3mm左右，经计算，密封片4的齿的顶部距离叶轮背盘间隙控制在0.2～0.9mm的间隙均能满足密封要求，密封片4的数量可以为多个，密封片4的数量建议不低于3个，密封片4的数量的建议但不限于3至6片。结合图4所示，本发明建议密封片4的厚度D取1.5～3.5mm，齿高H由叶轮背部空腔高度决定，以保证密封片4的齿顶间隙0.3mm左右为准。密封片4的齿型夹角α值应在15°～25°之间，密封片4的齿顶宽度L应该在0.2～0.7mm之间。

本发明的轴向推力计算方法和平衡方法可以用于离心式压气机、水泵、风机等叶轮机械的压差控制轴向推力的计算和平衡抵消轴向力，本发明这种更加简单的轴向推力平衡方法具有极大应用价值，本发明提供的轴向推力平衡方法结构简单，占用空间小，计算方便，计算的准确度高，计算出的推力的数值极为精准，具有很高的应用价值。

本发明提供了半开式离心式叶轮的轴向推力计算方法，基于压力分布积分和动量变化转换的迭代，求得较为精确的半开式离心叶轮轴向推力，计算的轴向推力精确度高，较传统的利用闭式叶轮轴向推力计算方法直接套用的计算结果更为准确。同时，在轮盘3上加装密封片4并通过F等于0时轴向的力得到平衡来计算出密封片4位置R_x，精确的轴向推力计算方法和密封片4位置R_x的确定即可将轴向推力算出并通过F等于0来平衡轴向力，保证半开式离心式叶轮两侧的轴向推力可以基本抵消，计算精准度高，半开式离心式叶轮的工作可靠性高，这种离心叶轮轴向推力平衡方法不仅适用于半开式离心压气机叶轮，对闭式离心叶轮，离心式鼓风机、离心泵叶轮的轴向推力平衡同样均可以适用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，其特征在于：包括叶轮入口端、加强段和轮盘，轮盘上设有密封片，密封片的外径R_x在轮盘上；

所述叶轮入口端R1的轴向力为F_inlet表示，F_inlet为进口大气压对轮盘产生的静压力，F_inlet＝P₀×πR₁ ²，其中P₀为进口大气压，R₁是叶轮圆盘的进口半径；

所述加强段的轴向力为F_imp表示，F_imp为气流冲量变化对叶轮的冲力和叶轮前静压力对叶轮作用力的合力，

G₀为压气机质量流量，C₀为进口气流速度，P₁为叶轮进口静压，P₂为叶轮出口静压，R₂是叶轮上叶片的进口半径；

所述轮盘的轴向力为F_disk表示，F_disk为叶轮背部的环状空腔的压力，

R₃是轮盘的小径，R₄是轮盘的大径，其中P₃为R₃对应空腔位置的压力；

所述叶轮入口端F_inlet与所述加强段F_imp的轴向力的方向相同，所述轮盘F_disk与所述叶轮入口端F_inlet和所述加强段F_imp的轴向力的方向相反并且依次相加产生轴向推力合力，所述轴向推力合力为F表示，F＝F_inlet+F_imp+F_disk，默认从轮盘指向叶轮的方向为正方向，其中F_disk为正值，F_inlet和F_imp均为负值，F等于0时轴向的力得到平衡。

2.根据权利要求1所述的一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，其特征在于：所述轮盘轴向力F_disk，在轮盘的R₃位置接通大气的情况下，可将公式

简化为F_disk＝π(R₄ ²-R₃ ²)×P₂，此时，F_disk＝π(R₄ ²-R_x ²)×P₂₊F_disk＝π(R_x ²-R₃ ²)×P₃。

3.根据权利要求1所述的一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，其特征在于：所述轮盘通过密封片形成了背部空腔的形状，轮盘通过密封片将压力进行均匀的分布。

4.根据权利要求1所述的一种半开式离心压气机轴向推力平衡方法，其特征在于：所述密封片的齿的顶部距离叶轮背盘间隙控制在0.2～0.9mm之间。

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