CN112177937A - 一种径向力自平衡的离心泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种径向力自平衡的离心泵，包括叶轮，叶轮上安装有叶轮后盖板，叶轮后盖板上设置有一圆盘，圆盘随着叶轮同步旋转，圆盘上设置有四个呈圆周阵列均匀分布的封闭式水槽，4个封闭式水槽的内侧、中间位置及外侧分别设置有第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀将每一封闭式水槽区分为两个第一水室和第二水室并控制第一水室、第二水室中的水量。本发明还公开一种径向力自平衡的离心泵的工作方法，本发明的带封闭式水槽的自平衡圆盘，结构简单，径向力大小可依据封闭式水槽储水体积进行控制，适应多种可变工作条件，具有广泛应用性和可实施性。

Description

一种径向力自平衡的离心泵及其工作方法

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，特别适用于多工况下运行的离心泵，具体涉及一种径向力自平衡的离心泵及其工作方法。

背景技术

离心泵由于叶轮-蜗壳的动静干涉作用、转子质量不平衡等原因，泵运行时不可避免会存在一定径向力，当泵在偏离设计工况运行时，其径向力会显著增大。随着变频技术的发展、以及使用的客观要求，泵不可避免会在多工况运行。过大的径向力会使得泵体振动加剧，轴承寿命降低，长时间甚至会导致泵电机烧毁、轴发生断裂。目前，已知平衡泵的径向力方法主要是通过在叶轮后盖板上通过增材、减材来产生与径向力平衡的额外离心力，这种固定式平衡径向力的方法的最大优点是可以达到较高精度的平衡，但是，如果离心泵工作在复杂的工况下，这种不可变的径向力平衡法仍然不能解决泵的平衡问题，限制了泵在复杂工况领域中的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种径向力自平衡的离心泵及其工作方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种径向力自平衡的离心泵，包括叶轮，所述叶轮上安装有叶轮后盖板，其特征在于，所述叶轮后盖板上设置有一圆盘，所述圆盘随着叶轮后盖板及叶轮同步旋转，所述圆盘上设置有四个呈圆周阵列均匀分布的封闭式水槽，4个所述封闭式水槽的内侧、中间位置及外侧分别设置有第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，所述第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀将每一封闭式水槽区分为两个第一水室和第二水室并控制第一水室、第二水室中的水量。

在本发明进一步的实施例中，所述第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀均为电动截止阀。

在本发明进一步的实施例中，所述离心泵还包括用于观测当前流量大小及转速的采集装置以及用于控制第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀动作的控制单元。

优选的，所述采集装置包括流量检测传感器、转速检测传感器、模拟信号处理器、数据采集电路；所述控制单元包括一微机芯片，所述流量检测传感器和转速检测传感器分别安装在离心泵的出水口位置处和泵轴处，所述微机芯片的输入端通过数据采集电路连接模拟信号处理器，所述模拟信号处理器电连接流量检测传感器和转速检测传感器；所述微机芯片的输出端电连接4个第一截止阀、4个第二截止阀和4个第三截止阀。

在本发明进一步的实施例中，4个所述封闭式水槽的大小、形状、开口位置及开口大小均一致。

在本发明进一步的实施例中，所述叶轮后盖板采用压紧螺栓安装离心泵的叶轮上。

本发明的实施例还提供一种径向力自平衡的离心泵的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于数值模拟分析计算和试验测量所得离心泵在不同工况下所产生的径向力的大小和方向，并记录在微机芯片中；

S2、离心泵启动工作；

S3、采用流量检测传感器、转速检测传感器的采集单元进行采集离心泵出水口的流量和转速；

S4、微机芯片运算器根据所采集到的流量和转速，结合步骤S1中所预先存储的径向力数据，判定当前径向力的大小和方向；

S5、依据当前流量控制相应阀门打开，通过改变圆盘偏心质量产生的离心力实现径向力平衡；径向力平衡后，所有截止阀关闭，形成自锁；若泵运行工况发生变化，再基于步骤S1中所预先存储的径向力数据，控制相应阀门，平衡径向力，从而，实现离心泵运行过程中径向力的动态平衡。

在本发明进一步的实施例中，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S5-1、以圆盘中心为基准，建立笛卡尔坐标系，使得四个封闭式水槽分别落在x、-x，y，-y方向上，假设此时的径向力位于第一象限上，会首先打开-x和-y方向封闭式水槽的第一截止阀，在离心力作用下，离心式水槽的第一水室会自动进水，此时，可根据径向力的大小来调节第二截止阀，第二截止阀可进一步控制水的离心力的增大，在打开第二截止阀同时，第一水室中的水会在离心力的作用下继续向外围移动，水的旋转半径增大，从而产生的离心力增大，通过第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀的开和关调整圆盘重心的偏心位置和偏心量，从而改变离心力的大小来平衡径向力，平衡后三个截止阀会自动关闭，形成自锁，保持运行状态；

S5-2、若需要降低离心力，可以在离心泵工作状态下，打开第三截止阀，并关闭第一截止阀和第二截止阀，将水槽里面的水甩出，水的质量减少，离心力也会自然降低，待到再次平衡，关闭第三截止阀形成自锁，或者结合反方向水槽对应的截止阀开和关，实现径向力的平衡。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明的径向力自平衡的离心泵，包括带封闭式水槽的圆盘，可以通过控制各截止阀的开关来产生任意方向上的离心力来平衡径向力，安装简单，运行过程中采用自动化控制，根据事先通过数值模拟分析和试验测量并收集常见工况下对应的径向力的大小和方向，反馈控制到截止阀上，利用水的流动性，在离心力的作用下，由水产生反作用的力，以此达到离心泵径向力自平衡状态，提高泵的运行稳定性和使用寿命，这种带封闭式水槽的自平衡圆盘，结构简单，径向力大小可依据封闭式水槽储水体积进行控制，适应多种可变工作条件，具有广泛应用性和可实施性。

附图说明

图1为本发明的径向力自平衡的离心泵的叶轮后盖板与叶轮的立体结构示意图。

图2为本发明的径向力自平衡的离心泵的圆盘的内部结构示意图。

图3为本发明的径向力自平衡的工作流程图。

附图标记说明：1、叶轮；2、叶轮后盖板；3、圆盘；4、第一截止阀；5、第二截止阀；6、第三截止阀；7、第一水室；8、第二水室。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，一种径向力自平衡的离心泵，包括叶轮1，叶轮1上安装有叶轮后盖板2，为平衡离心泵运行时所产生的径向力，本发明在叶轮后盖板2上设置有一圆盘3，叶轮后盖板2与圆盘3之间采用一体成型结构，两者形成一平衡盘，圆盘3随着叶轮后盖板2及叶轮1同步旋转，圆盘3上设置有四个呈圆周阵列均匀分布的封闭式水槽，4个封闭式水槽的内侧、中间位置及外侧分别设置有第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6，第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6将每一封闭式水槽区分为两个第一水室7和第二水室8并控制第一水室7、第二水室8中的水量，第一截止阀4用于控制封闭式水槽的进水量，第二截止阀5用于控制第一水室7和第二水室8内的水的分配，作用是提供更大范围的径向力调节，第三截止阀6用于控制封闭式水槽放水，通过开关相应封闭式水槽中的第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6，控制水的流动，依靠圆盘3中的水在叶轮3旋转过程中产生的离心力来平衡叶轮3的径向力，由数值模拟和试验测量出离心泵在常见的几种工况下和不同转速下所产生的径向力的大小和方向。在实际使用中，由使用环境选择事先所设定的工况，反馈到各截止阀的控制上，这种方式可以根据实际工况随时调节离心力来平衡泵的径向力，可以应对各种复杂的工作环境。

具体的，为便于实现自动调控离心泵的径向力，所述第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6均为电动截止阀。

具体的，所述离心泵还包括用于观测当前流量大小及转速的采集装置以及用于控制第一截止阀4、第二截止阀5、第三截止阀6动作的控制单元，通过控制单元与采集装置的配合使用，自动化程度更高。

优选的，所述采集装置包括流量检测传感器、转速检测传感器、模拟信号处理器、数据采集电路；所述控制单元包括一微机芯片，所述流量检测传感器和转速检测传感器分别安装在离心泵的出水口位置处和泵轴处，所述微机芯片的输入端通过数据采集电路连接模拟信号处理器，所述模拟信号处理器电连接流量检测传感器和转速检测传感器；所述微机芯片的输出端电连接4个第一截止阀4、4个第二截止阀5和4个第三截止阀6。

具体的，4个所述封闭式水槽的大小、形状、开口位置及开口大小均一致。

具体的，所述叶轮后盖板2采用压紧螺栓安装离心泵的叶轮1上。

本发明的实施例还提供一种径向力自平衡的离心泵的工作方法，包括以下步骤：

S1、基于数值模拟分析计算和试验测量所得离心泵在不同工况下所产生的径向力的大小和方向，并记录在微机芯片中；

S2、离心泵启动工作；

S3、采用流量检测传感器、转速检测传感器的采集单元进行采集离心泵出水口的流量和转速；

S4、微机芯片运算器根据所采集到的流量和转速，结合步骤S1中所预先存储的径向力数据，判定当前径向力的大小和方向；

S5、依据当前流量控制相应阀门（第一截止阀4、第二截止阀5或第三截止阀6）打开，通过改变圆盘3偏心质量产生的离心力实现径向力平衡；径向力平衡后，所有截止阀（第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6）关闭，形成自锁；若泵运行工况发生变化，再基于步骤S1中所预先存储的径向力数据，控制相应阀门（第一截止阀4、第二截止阀5或第三截止阀6），平衡径向力，从而，实现离心泵运行过程中径向力的动态平衡。

具体的，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S5-1、以圆盘中心为基准，建立笛卡尔坐标系，使得四个封闭式水槽分别落在x、-x，y，-y方向上，假设此时的径向力位于第一象限上，会首先打开-x和-y方向封闭式水槽的第一截止阀4，在离心力作用下，离心式水槽的第一水室7会自动进水，此时，可根据径向力的大小来调节第二截止阀5，第二截止阀5可进一步控制水的离心力的增大，在打开第二截止阀5同时，第一水室7中的水会在离心力的作用下继续向外围移动，水的旋转半径增大，从而产生的离心力增大，通过第一截止阀4、第二截止阀5、第三截止阀6的开和关调整圆盘重心的偏心位置和偏心量，从而改变离心力的大小来平衡径向力，平衡后三个截止阀（第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6）会自动关闭，形成自锁，保持运行状态；

具体的，叶轮1旋转时带动圆盘3同步旋转，圆盘3的重心径向位置r可在一定范围内调整，其偏心质量m由截止阀控制，产生的离心力为mω ²r。通过数值模拟及测试确定离心泵的径向力F，根据径向力F的大小，确定圆盘3的重心位置r和偏心质量m，以满足F=-mω ²r，即离心力与径向力大小相等、方向相反。其中：m为圆盘3的偏心质量，ω为叶轮1的角速度，单位为弧度/秒，r为圆盘3的重心偏心半径。 通过控制第一截止阀4、第二截止阀5和第三截止阀6，调节重心位置r和偏心质量m，从而改变离心力的大小，使离心力方向与径向力方向相反，以达到平衡叶轮径向力的效果。

S5-2、若需要降低离心力，可以在离心泵工作状态下，打开第三截止阀6，并关闭第一截止阀4，将水槽里面的水甩出，水的质量减少，离心力也会自然降低，待到再次平衡，关闭第三截止阀6形成自锁，或者结合反方向水槽对应的截止阀（第一截止阀4、第二截止阀5或第三截止阀6）开和关，实现径向力的平衡。

本发明的径向力自平衡的离心泵，在安装时，只需要让叶轮1和圆盘3同轴旋转即可，通过控制第一截止阀4、第二截止阀5、第三截止阀6的开合，控制水的体积，从而产生圆盘3离心力与叶轮产生径向力的方向相反，以达到平衡径向力效果，由于水的可流动性加上水的总质量可控性，使得圆盘可以平衡各个方向上的径向力。这种平衡圆盘3调节离心泵的径向力十分灵活，具有一定的优越性，可以广泛使用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种径向力自平衡的离心泵，包括叶轮，所述叶轮上安装有叶轮后盖板，其特征在于，所述叶轮后盖板上设置有一圆盘，所述圆盘随着叶轮后盖板同步旋转，所述圆盘上设置有四个呈圆周阵列均匀分布的封闭式水槽，4个所述封闭式水槽的内侧、中间位置及外侧分别设置有第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，所述第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀将每一封闭式水槽区分为两个第一水室和第二水室并控制第一水室、第二水室中的水量。

2.根据权利要求1所述的一种径向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀均为电动截止阀。

3.根据权利要求1所述的一种径向力自平衡的离心泵，其特征在于，还包括用于观测当前流量大小及转速的采集装置以及用于控制第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀动作的控制单元。

4.根据权利要求3所述的一种径向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述采集装置包括流量检测传感器、转速检测传感器、模拟信号处理器、数据采集电路；所述控制单元包括一微机芯片，所述流量检测传感器和转速检测传感器分别安装在离心泵的出水口位置处和泵轴处，所述微机芯片的输入端通过数据采集电路连接模拟信号处理器，所述模拟信号处理器电连接流量检测传感器和转速检测传感器；所述微机芯片的输出端电连接4个第一截止阀、4个第二截止阀和4个第三截止阀。

5.根据权利要求1所述的一种径向力自平衡的离心泵，其特征在于，4个所述封闭式水槽的大小、形状、开口位置及开口大小均一致。

6.根据权利要求1所述的一种径向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述叶轮后盖板采用压紧螺栓安装离心泵的叶轮上。

7.一种根据权利要求1所述的径向力自平衡的离心泵的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于数值模拟分析计算和试验测量所得离心泵在不同工况下所产生的径向力的大小和方向，并记录在微机芯片中；

S2、离心泵启动工作；

S3、采用流量检测传感器、转速检测传感器的采集单元进行采集离心泵出水口的流量和转速；

S4、微机芯片运算器根据所采集到的流量和转速，结合步骤S1中所预先存储的径向力数据，判定当前径向力的大小和方向；

S5、依据当前流量控制相应阀门打开，通过改变圆盘偏心质量产生的离心力实现径向力平衡；径向力平衡后，所有截止阀关闭，形成自锁；若泵运行工况发生变化，再基于步骤S1中所预先存储的径向力数据，控制相应阀门，平衡径向力，从而，实现离心泵运行过程中径向力的动态平衡。

8.根据权利要求7所述的一种径向力自平衡的离心泵的工作方法，其特征在于，所述步骤S5，具体包括以下步骤：

S5-1、以圆盘中心为基准，建立笛卡尔坐标系，使得四个封闭式水槽分别落在x、-x，y，-y方向上，假设此时的径向力位于第一象限上，会首先打开-x和-y方向封闭式水槽的第一截止阀，在离心力作用下，离心式水槽的第一水室会自动进水，此时，可根据径向力的大小来调节第二截止阀，第二截止阀可进一步控制水的离心力的增大，在打开第二截止阀同时，第一水室中的水会在离心力的作用下继续向外围移动，水的旋转半径增大，从而产生的离心力增大，通过第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀的开和关调整圆盘重心的偏心位置和偏心量，从而改变离心力的大小来平衡径向力，平衡后三个截止阀会自动关闭，形成自锁，保持运行状态；

S5-2、若需要降低离心力，可以在离心泵工作状态下，打开第三截止阀，并关闭第一截止阀和第二截止阀，将水槽里面的水甩出，水的质量减少，离心力也会自然降低，待到再次平衡，关闭第三截止阀形成自锁，或者结合反方向水槽对应的截止阀开和关，实现径向力的平衡。

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