CN112283149B - 一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置及方法，涉及水泵设备领域，轴向力自平衡装置包括：泵体、设置于泵体内的叶轮、设置于泵体的一侧的泵后盖、设置于泵后盖的轴孔内的轴套和一端穿过轴套后与叶轮连接的泵轴；叶轮的前盖板与泵体之间围成前腔体，叶轮的前密封环与泵体之间设置有第一间隙，前腔体通过第一间隙与叶轮进口连通，叶轮的后盖板与泵后盖之间围成平衡室，叶轮的后密封环分别与泵体、泵后盖之间设置有第二间隙，后盖板上间隔设置有多个平衡孔，平衡孔向轴套延伸，并与轴套之间形成第三间隙。叶轮通过自我调节的方式实现轴向力自平衡，无需添加背叶片、平衡盘或平衡鼓等装置，结构简单，易于加工，有效降低成本。

Description

一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置及方法

技术领域

本发明涉及水泵设备领域，尤其涉及一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置及方法。

背景技术

离心泵是生产、生活中使用最为广泛的通用设备之一，其中以单级单吸离心泵最为普遍。由于前盖板和后盖板存在压差，会产生轴向压力，并且随着叶片扭曲程度增大，该力呈现增大的趋势。因此，泵轴通常要承受多个力和力矩所引起的各种应力。如果没有适当地平衡，这些力将作用在轴上，导致轴偏转，并传递到轴承，从而导致过载。为了避免泵轴、轴承等部件故障，设计一种离心泵的轴向力自平衡方法具有重要意义。

现有技术中关于离心泵轴向力平衡的主要设计思路有以下几个方面：

(1)使用推力轴承，此方法主要应用于转速较低、轴向力较小的离心泵中。

(2)采用添加背叶片，此方法是在主叶轮的背面加一个与吸入方向相反的附加半开式叶轮，背叶片强迫液体旋转，降低后盖板的不平衡力。但是这种结构比较复杂，铸造要求较高。

(3)设计成双吸叶轮形式(多级叶轮则对称布置)，此方法显然不适用于单级单吸式离心泵。

(4)设计平衡鼓或平衡盘，会增加离心泵本身整体的重量，降低水力效率。

发明内容

本发明实施例提供一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置及方法，用以解决现有技术中的离心泵轴向力自平衡设计方法及装置存在结构复杂，成本高和水力效率低的问题。

本发明实施例提供一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置，所述轴向力自平衡装置包括：泵体、设置于所述泵体内的叶轮、设置于所述泵体的一侧的泵后盖、设置于所述泵后盖的轴孔内的轴套和一端穿过所述轴套后与所述叶轮连接的泵轴；所述叶轮的前盖板与所述泵体之间围成前腔体，所述叶轮的前密封环与所述泵体之间设置有第一间隙，所述前腔体通过所述第一间隙与叶轮进口连通，所述叶轮的后盖板与所述泵后盖之间围成平衡室，所述叶轮的后密封环分别与所述泵体、所述泵后盖之间设置有第二间隙，所述后盖板上间隔设置有多个平衡孔，所述平衡孔向所述轴套延伸，所述平衡孔的端口与所述轴套之间形成宽度可随轴向力变化而变化的第三间隙。

根据本发明一个实施例的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置，所述泵体靠近所述前密封环的内表面作为所述第一间隙的侧壁，并设置有多个第一梳齿；所述泵体靠近所述后密封环的内表面作为第二间隙的侧壁，并设置有多个第二梳齿；所述泵后盖靠近所述后密封环的侧面作为所述第二间隙的侧壁，并设置有多个第三梳齿。

根据本发明一个实施例的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置，所述第一梳齿、第二梳齿和第三梳齿的横截面均为梯形。

根据本发明一个实施例的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置，多个所述第一梳齿的长度相等，多个所述第二梳齿的长度相等，多个所述第三梳齿的长度相等。

根据本发明一个实施例的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置，所述第三间隙的最大宽度为所述第二间隙的宽度的10倍。

根据本发明一个实施例的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置，所述叶轮的叶片数量与所述平衡孔的数量相等，所述平衡孔位于相邻两个所述叶片之间。

本发明实施例还提供一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

确定叶轮的已知参数，所述已知参数包括：叶轮出口半径R_a、叶轮前轮毂口环半径R_b、叶轮进口半径R₁、叶轮出口宽度b₂和叶轮轮毂半径R_d；

根据所述已知参数计算叶轮的其它参数，所述其它参数包括：

平衡孔位置半径R_c，其中，R_c＝k₅R_a，k₅＝0.3～0.4；

叶轮后轮毂外环半径R_e，其中，R_e＝k₈(2R_c-R_d)，k₈＝0.90～0.98；

后密封环外表面半径R_h，其中，R_h＝k₁R_a，k₁＝0.90～0.94；

后密封环内表面半径R_f，其中，R_f＝R_h-k₇(R_b-R₁)，k₇＝1.0～1.3；

第二间隙的宽度C，其中，C＝k₂R_h，k₂＝0.003～0.005；

第一间隙的宽度B，其中，B＝k₃C，k₃＝1.1～1.5；

平衡孔的直径D_b，其中，D_b＝k₆C，k₆＝20～30；

后密封环的长度L，其中，L＝k₄b₂，k₄＝2.5～3.5；

第三间隙的宽度A，其中，A＝k₉C，k₉＝8.0～10.0。

本发明实施例提供的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置具有以下优点：

1.叶轮通过自我调节的方式实现轴向力自平衡，无需添加背叶片、平衡盘或平衡鼓等装置，结构简单，易于加工，有效降低成本。

2.通过在后密封环两侧分别设置有第二梳齿，可以有效控制介质的泄漏，兼顾离心泵的水力性能。

3.本发明实施例提供的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置提高了离心泵运行的稳定性，增加了离心泵安全运行时间，延长了离心泵的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置的局部剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的图1中D处的局部放大结构示意图；

图3是本发明实施例提供的图1中E处的局部放大结构示意图；

图4是本发明实施例提供的图1中F处的局部放大结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种叶轮所受轴向力的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种叶轮计算域的网格图；

图7是本发明实施例提供的一种叶轮在四种不同流量下所受轴向合力的表格图；

图8是本发明实施例提供的不同宽度第三间隙A时，整个叶轮的轴向力计算结果；

图9是本发明实施例提供的不同宽度第三间隙A时，前密封环的容积损失；

图10是本发明实施例提供的不同宽度第三间隙A时，后密封环的容积损失。

附图标记：1、泵体；2、叶轮；3、泵轴；4、轴套；5、泵后盖；11、第一梳齿；12、第二梳齿；22、前盖板；23、平衡孔；24、后盖板；25、后密封环；51、第三梳齿；111、前腔体；112、平衡室；A、第三间隙；B、第一间隙；C、第二间隙。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图10描述本发明实施例的单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置及方法。

图1示例了一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置的局部剖面结构示意图，如图1所示，单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置包括：泵体1、叶轮2、泵后盖5、轴套4和泵轴3；泵体1的内部具有空腔，叶轮2可转动地设置于空腔内，泵体1的一侧设置有端口，泵后盖5设置于泵体1的一侧并将端口封堵，轴套4设置于泵后盖5的轴孔内，泵轴3的一端穿过轴套4后与叶轮2连接。

图2示例了本发明实施例提供的图1中D处的局部放大结构示意图，图3示例了本发明实施例提供的图1中E处的局部放大结构示意图，图4示例了本发明实施例提供的图1中F处的局部放大结构示意图，如图2、3、4所示，叶轮2的前盖板22与泵体1之间围成前腔体111，叶轮2的前密封环与泵体1之间设置有第一间隙B，前腔体111通过第一间隙B与叶轮2的进口连通，叶轮2的后盖板24与泵后盖5之间围成平衡室112，叶轮2的后密封环25分别与泵体1、泵后盖5之间设置有第二间隙C。后盖板24上间隔设置有多个平衡孔23，叶轮2的叶片数量与平衡孔23的数量相等，平衡孔23位于相邻两个叶片之间，平衡孔23向轴套4延伸，平衡孔23的端口与轴套4之间形成宽度可随轴向力变化而变化的第三间隙A，第三间隙A的最大宽度为第二间隙C的宽度的10倍。当总的轴向力方向与叶轮进口流速方向相反时，轴向力随着第三间隙A的宽度增大而减小；反之，当总的轴向力方向与叶轮进口流速方向相同时，轴向力随着第三间隙A的宽度减小而减小。

假设由叶轮出口指向叶轮进口的轴向力增大，叶轮2则向叶轮进口一侧偏移，平衡孔23处第三间隙A增大，泄漏量增大，高压处的介质经过平衡孔23流入叶轮进口，平衡腔的压力下降，叶轮2向叶轮出口一侧移动，如此反复，叶轮2一直处于自动调整的状态。当前盖板22上的轴向力、叶片上的轴向力和叶轮2的后盖板24上的轴向力的合力为0(或者合力近似为0)，这样使叶轮2整体的轴向力实现自平衡。

在调节轴向力平衡的同时，如果叶轮2和泵体1之间的间隙控制不合理，容易增大离心泵的容积损失，降低水力效率。本发明在后盖板24上设置后密封环25，在后密封环25的外表面和内表面分别设置了第二间隙C，有效控制叶轮出口处的高压介质进入平衡室112的泄漏量，提高离心泵运行效率。

根据本发明的实施例，泵体1靠近前密封环的内表面作为第一间隙B的侧壁，并设置有多个第一梳齿11，多个第一梳齿11的长度相等。泵体1靠近后密封环25的内表面作为第二间隙C的侧壁，并设置有多个第二梳齿12，多个第二梳齿12的长度相等。泵后盖5靠近后密封环25的侧面作为第二间隙C的侧壁，并设置有多个第三梳齿51，多个第三梳齿51的长度相等。第一梳齿11、第二梳齿12和第三梳齿51的横截面均为梯形。通过在后密封环25两侧分别设置有第二梳齿12，可以有效控制介质的泄漏，兼顾离心泵的水力性能。

单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置的原理：(假设介质流入的方向为正值)

F_shr-F_hub-F_blade＝0

式中F_shr表示前盖板所受轴向力，F_hub表示后盖板所受轴向力，F_blade表示叶轮叶片所受轴向力，R_a表示叶轮出口半径，R_b表示叶轮前轮毂口环半径，R_d表示叶轮轮毂半径，R_e表示叶轮后轮毂外环半径，R_f表示后密封环内表面半径，R_h表示后密封环外表面半径，P_ab表示叶轮出口到前轮毂口环的平均压强，P_ah表示叶轮出口到后密封环外表面的平均压强，P_hf表示叶轮后密封环外表面到内表面的平均压强，P_fe表示叶轮后密封环内表面到后轮毂外环的平均压强，P_ed表示第三间隙A的平均压强。

图5示例了本发明实施例提供的一种叶轮所受轴向力示意图，如图5所示，当离心泵运行时，假设F_hub值较大，叶轮向叶轮出口一侧偏移，P_hf、P_fe、P_ed随之变小，后盖板的压力视图由实线所示状态变为虚线所示状态，从而F_hub值减小，如此反复，使叶轮所受轴向力保持动态平衡的状态。

图6示例了本发明实施例提供的一种叶轮计算域的网格图，如图6所示，为进一步验证单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置的可靠性，对单级单吸离心泵的轴向力自平衡装置做CFD模拟计算，分析不同流量、不同轴向间隙时轴向力特性。对实施例离心泵全流道进行三维建模，划分网格，叶轮域网格为2800万，整体网格3100万网格数。

图7示例了本发明实施例提供的一种叶轮在四种不同流量下所受轴向合力的表格，如图7所示，设置边界条件，给定四个不同流量：Q＝240m³/h、Q＝200m³/h、Q＝140m³/h、Q＝40m³/h，轴向间隙A分别为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。监测前盖板、后盖板和叶片的轴向力，并计算叶轮所受轴向合力。本实施例中将介质流入的方向定义为正值，与介质流入的方向相反的方向定义为负值。

图8示例了本发明实施例提供的不同宽度第三间隙A时，整个叶轮的轴向力计算结果，如图8所示，为不同轴向间隙(A)时，整个叶轮的轴向力计算结果，可以发现，在小流量Q＝40m³/h时，轴向间隙A＝1mm满足轴向力平衡；在其余流量时，轴向间隙A＝3-4mm，满足轴向力平衡。因此本实施例能够在各流量区间均保持轴向平衡。

图9示例了本发明实施例提供的不同宽度第三间隙A时，前密封环的容积损失，图10示例了本发明实施例提供的不同宽度第三间隙A时，后密封环的容积损失，可以发现在前盖板处密封环泄漏量基本不受轴向间隙尺寸的影响；后盖板处密封环泄漏量随轴向间隙的增大而增大，当叶轮在实现轴向力平衡时，Q＝40m³/h情况下，泄漏量大概为5.5m³/h，泄漏比大约为13.8％；Q＝140m³/h情况下，泄漏量大概为5.3m³/h，泄漏比大约为3.8％；Q＝200m³/h情况下，泄漏量大概为2.8m³/h，泄漏比大约为1.4％；Q＝240m³/h情况下，泄漏量大概为5.8m³/h，泄漏比大约为2.4％。本实施例的后盖板处密封环泄漏量均能得到有效控制，这有利于保证离心泵的水力效率。

本发明还提供一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡设计方法，设计方法包括以下步骤：

步骤S10，确定叶轮的已知参数，已知参数包括：叶轮出口半径R_a、叶轮前轮毂口环半径R_b、叶轮进口半径R₁、叶轮出口宽度b₂和叶轮轮毂半径R_d；

步骤S20，根据已知参数计算叶轮的其它参数，其它参数包括：

平衡孔位置半径R_c，其中，R_c＝k₅R_a，k₅＝0.3～0.4；

叶轮后轮毂外环半径R_e，其中，R_e＝k₈(2R_c-R_d)，k₈＝0.90～0.98；

后密封环外表面半径R_h，其中，R_h＝k₁R_a，k₁＝0.90～0.94；

后密封环内表面半径R_f，其中，R_f＝R_h-k₇(R_b-R₁)，k₇＝1.0～1.3；

第二间隙的宽度C，其中，C＝k₂R_h，k₂＝0.003～0.005；

第一间隙的宽度B，其中，B＝k₃C，k₃＝1.1～1.5；

平衡孔的直径D_b，其中，D_b＝k₆C，k₆＝20～30；

后密封环的长度L，其中，L＝k₄b₂，k₄＝2.5～3.5；

第三间隙的宽度A，其中，A＝k₉C，k₉＝8.0～10.0。

离心泵工作时，第三间隙的宽度A随着轴向力的变化而变化。叶轮通过自我调节的方式实现轴向力自平衡，无需添加背叶片、平衡盘或平衡鼓等机构，结构简单，易于加工，有效降低成本。本发明实施例提供的单级单吸离心泵的轴向力自平衡设计方法提高了离心泵运行的稳定性，增加了离心泵安全运行时间，延长了离心泵的使用寿命。

在一个具体的实施例中，设计方法包括以下步骤：

步骤S100，确定叶轮的已知参数，已知参数包括：叶轮出口半径R_a、叶轮前轮毂口环半径R_b、叶轮进口半径R₁、叶轮出口宽度b₂和叶轮轮毂半径R_d；

本实施例中R_a＝136mm，R_b＝73mm，R₁＝63mm，b₂＝19mm，R_d＝24mm。

步骤S200，根据已知参数计算叶轮的其它参数，其它参数包括：

平衡孔位置半径R_c，运用公式(1)计算：

R_c＝k₅R_a (1)

k₅＝0.3～0.4，优选地，本实施例中k₅取值0.316，R_c＝43mm；

叶轮后轮毂外环半径R_e，运用公式(2)计算：

R_e＝k₈(2R_c-R_d) (2)

k₈＝0.90～0.98，优选地，本实施例中k₈取值0.935，R_e＝58mm；

后密封环外表面半径R_h，运用公式(3)计算：

R_h＝k₁R_a (3)

k₁＝0.90～0.94，优选地，本实施例中k₁取值0.92，R_h＝125mm；

后密封环内表面半径R_f，运用公式(4)计算：

R_f＝R_h-k₇(R_b-R₁) (4)

k₇＝1.0～1.3，优选地，本实施例中k₇取值1.0，R_f＝115mm；

第二间隙的宽度C，运用公式(5)计算：

C＝k₂R_h (5)

k₂＝0.003～0.005，优选地，本实施例中k₂取值0.004，C＝0.5mm；

第一间隙的宽度B，运用公式(6)计算：

B＝k₃C (6)

k₃＝1.1～1.5，优选地，本实施例中k₃取值1.3，B＝0.65mm；

平衡孔的直径D_b，运用公式(7)计算：

D_b＝k₆C (7)

k₆＝20～30，优选地，本实施例中k₆取值24，D_b＝12mm；

后密封环的长度L，运用公式(8)计算：

L＝k₄b₂ (8)

k₄＝2.5～3.5，优选地，本实施例中k₄取值3.0，L＝57mm；

第三间隙的宽度A，运用公式(9)计算：

A＝k₉C (9)

k₉＝8.0～10.0，优选地，本实施例中k₉取值10，A＝5mm。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种单级单吸离心泵的轴向力自平衡设计方法，所述离心泵包括：泵体、设置于所述泵体内的叶轮、设置于所述泵体的一侧的泵后盖、设置于所述泵后盖的轴孔内的轴套和一端穿过所述轴套后与所述叶轮连接的泵轴；其特征在于，所述叶轮的前盖板与所述泵体之间围成前腔体，所述叶轮的前密封环与所述泵体之间设置有第一间隙，所述前腔体通过所述第一间隙与叶轮进口连通，所述叶轮的后盖板与所述泵后盖之间围成平衡室，所述叶轮的后密封环分别与所述泵体、所述泵后盖之间设置有第二间隙，所述后盖板上间隔设置有多个平衡孔，所述平衡孔向所述轴套延伸，所述平衡孔的端口与所述轴套之间形成宽度可随轴向力变化而变化的第三间隙，所述设计方法包括以下步骤：

确定所述叶轮的已知参数，所述已知参数包括：叶轮出口半径R_a、叶轮前轮毂口环半径R_b、叶轮进口半径R₁、叶轮出口宽度b₂和叶轮轮毂半径R_d；

根据所述已知参数计算所述叶轮的其它参数，所述其它参数包括：

平衡孔位置半径R_c，其中，R_c＝k₅R_a，k₅＝0.3～0.4；

叶轮后轮毂外环半径R_e，其中，R_e＝k₈(2R_c-R_d)，k₈＝0.90～0.98；

后密封环外表面半径R_h，其中，R_h＝k₁R_a，k₁＝0.90～0.94；

后密封环内表面半径R_f，其中，R_f＝R_h-k₇(R_b-R₁)，k₇＝1.0～1.3；

所述第二间隙的宽度C，其中，C＝k₂R_h，k₂＝0.003～0.005；

所述第一间隙的宽度B，其中，B＝k₃C，k₃＝1.1～1.5；

所述平衡孔的直径D_b，其中，D_b＝k₆C，k₆＝20～30；

所述后密封环的长度L，其中，L＝k₄b₂，k₄＝2.5～3.5；

所述第三间隙的宽度A，其中，A＝k₉C，k₉＝8.0～10.0。

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