CN113606184A - 一种轴向力自平衡的离心泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轴向力自平衡的离心泵，包括泵壳、叶轮、导水锥和泵轴，所述叶轮位于泵壳内，所述叶轮通过导水锥安装在泵轴一端，所述导水锥和泵轴上设有将叶轮进口与后泵腔连通的通道，通过使后泵腔形成低压，用于降低叶轮前后盖板的压差。所述通道包括第一通孔和T型通孔，所述导水锥沿轴向设有第一通孔，所述泵轴的一端中心设有T型通孔，所述T型通孔包括轴向孔和径向孔，所述轴向孔一端与第一通孔连通，所述轴向孔另一端与若干径向孔连通，每个所述径向孔与后泵腔连通。本发明既可保证水力性能影响小，又能自动平衡叶轮的轴向力。

Description

一种轴向力自平衡的离心泵
技术领域
本发明涉及泵或者离心泵技术领域，特别涉及一种轴向力自平衡的离心泵。
背景技术
泵，尤其是离心泵，其轴向力是伴随叶轮转动时产生的。其产生的根本原因是离心泵叶轮的前后盖板受流体作用力不平衡。
当离心泵运行时，叶轮带动液体转动，在这个过程中，流出叶轮的高压液体会泄露到叶轮前后盖板与泵体和泵盖分别形成的间隙空间。然而，离心泵叶轮的前后盖板受压面积不等，且叶轮吸入口对应的叶轮内后盖板区域是低压，而此区域对应后盖板的外部是高压。正是由于叶轮前后盖板受压力不同，且在叶轮吸入口所对应的叶轮内后盖板区域存在压差，使得叶轮前后盖板之间形成的压差无法自平衡，从而产生了一个指向叶轮吸入口方向的轴向力。
液体动量的轴向分量发生改变。通过液体从叶轮吸入口处流入，从叶轮出口处流出这个过程，在液体轴向力方向上的动量分量会发生变化，原因是作用在叶轮前后的液体，其速度的大小不仅发生改变，速度的方向也有很大变化。根据动量定理分析得出，液体经过叶轮的过程中，由于液体动量在轴向分量上的改变，在轴向方向产生一个冲力，也称动反力。
多年的实践表明，泵轴向力的平衡问题已成为泵能否普遍应用的关键所在。无论在泵的结构设计上，还是实际应用中，必须要尽可能的平衡轴向力，为泵的可靠运行提供保障。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轴向力自平衡的离心泵，通过将离心泵叶轮进口处的流体从导水锥和轴的中心处引入叶轮与后泵壳之间的后泵腔空间内，并通过叶轮后盖板后部布置的副叶片旋转将流体排入蜗壳。这个过程中，叶轮进口处小部分的低压流体经过导水锥和轴的中心引入叶轮后盖板所在的后泵腔间隙空间，在间隙空间内泵轴附近形成的局部低压可以平衡叶轮进口对应后盖板区域的低压，从而能够自动平衡叶轮的轴向力，这对叶轮内叶片做功时主流的流态影响较小；同时，叶轮后盖板副叶片对引入的低压流体做功并排入蜗壳。这样，在离心泵运行过程中，既可保证水力性能影响小，又能自动平衡叶轮的轴向力。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种轴向力自平衡的离心泵，包括泵壳、叶轮、导水锥和泵轴，所述叶轮位于泵壳内，所述叶轮通过导水锥安装在泵轴一端，所述导水锥和泵轴上设有将叶轮进口与后泵腔连通的通道，通过使后泵腔形成低压，用于降低叶轮前后盖板的压差。
进一步，所述通道包括第一通孔和T型通孔，所述导水锥沿轴向设有第一通孔，所述泵轴的一端中心设有T型通孔，所述T型通孔包括轴向孔和径向孔，所述轴向孔一端与第一通孔连通，所述轴向孔另一端与若干径向孔连通，每个所述径向孔与后泵腔连通。
进一步，所述第一通孔的直径为(0.1～0.5)d，其中d为泵轴的直径。
进一步，所述叶轮包括副叶片；所述副叶片安装在叶轮的后盖板后部；
所述副叶片的进口边直径为(1.1～1.5)d，所述副叶片的出口边直径与叶轮出口直径相等；所述副叶片为圆柱形或扭曲形叶片，所述副叶片轴面截线形状程直角梯形或矩形，且所述副叶片出口边宽度L2＝(0.5～0.9)δ，其中δ为叶轮后盖板出口边缘与泵壳之间的距离，而所述副叶片进口边宽度L1＝(1～5)L2；所述副叶片的右侧为开敞。
进一步，所述径向孔数量为2～Z，其中Z为叶轮叶片数，所述副叶片的数量与径向孔的数量相同；所述径向孔出口与副叶片流道进口对齐。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的轴向力自平衡的离心泵，将叶轮进口处小部分低压流体从导水锥和泵轴的中心处沿轴向引入叶轮后部，使得叶轮后部间隙空间内的泵轴附近区域形成低压，这可以平衡叶轮进口所对应后盖板区域的低压，从而能够降低叶轮前后盖板较大压差所产生的轴向力。
2.本发明所述的轴向力自平衡的离心泵，在叶轮与后泵壳的间隙空间内，利用副叶片对所引入的低压流体做功，将其排入蜗壳，可以提高流体通过速率，并减小对泵水力性能的影响。
附图说明
图1为本发明所述的轴向力自平衡的离心泵的半剖图。
图2为本发明所述的叶轮的半剖图。
图3为本发明所述的泵轴的半剖图。
图4为图3左视图。
图5为本发明所述的轴向力自平衡的离心泵数值模拟的水体装配图。
图6a为现有技术中离心泵叶轮后盖板的压力云图。
图6b为本发明所述的轴向力自平衡的离心泵中叶轮后盖板的压力云图。
图中：
1-叶轮；2-前泵壳；3-导水锥；4-泵轴；5-密封件；6-后泵壳；7-螺钉；a-副叶片；b-后盖板；c-叶片；d-前盖板；e-轴向孔；f-径向孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明所述的轴向力自平衡的离心泵，包括前泵壳2、叶轮1、导水锥3、泵轴4、密封件5、后泵壳6和螺钉7，所述叶轮1通过泵轴4的轴肩与导水锥3固定在泵轴4上；前泵壳2通过螺钉7与后泵壳6相连。泵轴4穿过后泵壳6与传动部分连接，泵轴4与后泵壳6之间安装密封件5。所述导水锥3和泵轴4上设有将叶轮1进口与后泵腔连通的通道，通过使后泵腔形成低压，用于降低叶轮1前后盖板的压差。后泵腔为叶轮1后部与后泵壳6之间的间隙。将叶轮1进口与后泵腔连通，使得叶轮后部间隙空间内的泵轴附近区域形成低压，这可以平衡叶轮进口所对应后盖板区域的低压，从而能够降低叶轮前后盖板较大压差所产生的轴向力。所述通道包括第一通孔和T型通孔，所述导水锥3沿轴向设有第一通孔，所述泵轴4的一端中心设有T型通孔，所述T型通孔包括轴向孔e和径向孔f，所述轴向孔e一端与第一通孔连通，所述轴向孔e另一端与若干径向孔f连通，每个所述径向孔f与后泵腔连通。
所述第一通孔的直径为(0.1～0.5)d，其中d为泵轴4的直径。一般所述叶轮1包括后盖板b、叶片c和前盖板d。本发明所述叶轮1还包括副叶片a；所述副叶片a安装在叶轮1的后盖板b后部；所述副叶片a的进口边直径为(1.1～1.5)d，所述副叶片a的出口边直径与叶轮出口直径相等；所述副叶片a为圆柱形或扭曲形叶片，所述副叶片a轴面截线形状程直角梯形或矩形，且所述副叶片a出口边宽度L2＝(0.5～0.9)δ，其中δ为叶轮后盖板出口边缘与泵壳之间的距离，而所述副叶片a进口边宽度L1＝(1～5)L2；所述副叶片a的右侧为开敞。所述径向孔f数量为2～Z，其中Z为叶轮1叶片数，所述副叶片a的数量与径向孔f的数量相同；所述径向孔f出口与副叶片流道进口对齐。
当离心泵高速运行时，叶轮进口的小部分低压流体经过轴上的直通孔流入叶轮与后泵壳形成的空间，在此空间内，泵轴4附近区域的低压流体可以平衡叶轮进口所对应后盖板区域的低压，从而降低叶轮前后较大压差所产生的轴向力。同时，副叶片a对低压流体做功，将其排入蜗壳，提高流体通过速率。在这过程中，既可保证水力性能影响小，又能自动平衡叶轮的轴向力。
如图5和图6所示，在轴向力平衡与否的数值模拟中，一台离心泵的泵轴4没有做通孔处理且叶轮后盖板没有添加副叶片，如图6a；另一台本发明所述的轴向力自平衡的离心泵，如图6b。两台离心泵的转速为1450r/min，流量为40m3/h；模型网格数量为220万个，选择RNG k-ε湍流模型，收敛精度设置为0.0001。
由模拟结果，可知：泵轴没有做通孔处理且叶轮后盖板没有添加副叶片的离心泵，其扬程为6.78m，效率为71.53％，轴向力为372.68N；而本发明所述的轴向力自平衡的离心泵的扬程为6.52m，效率为69.83％，轴向力为62.88N。相比之下，本发明所述的轴向力自平衡的离心泵的扬程偏差为3.8％，效率偏差为2.4％，轴向力减小了83.13％。说明本发明所述的轴向力自平衡的离心泵在水力性能影响较小的情况下较好的平衡了叶轮的轴向力。此外，由图6可知，(a)图所示的泵轴没有做通孔处理且叶轮后盖板没有添加副叶片的离心泵，其后盖板分布的压力，特别是泵轴附近区域的压力，大于(b)图所示的本发明所述离心泵后盖板所分布的压力。这说明沿轴内通孔引入叶轮后部的低压流体，降低了叶轮后盖板分布的压力，特别是泵轴附近区域的压力，使得叶轮后盖板指向叶轮进口方向的轴向力降低，从而较好的平衡了叶轮的轴向力。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例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。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轴向力自平衡的离心泵，包括泵壳、叶轮(1)、导水锥(3)和泵轴(4)，所述叶轮(1)位于泵壳内，所述叶轮(1)通过导水锥(3)安装在泵轴(4)一端，其特征在于，所述导水锥(3)和泵轴(4)上设有将叶轮(1)进口与后泵腔连通的通道，通过使后泵腔形成低压，用于降低叶轮(1)前后盖板的压差。
2.根据权利要求1所述的轴向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述通道包括第一通孔和T型通孔，所述导水锥(3)沿轴向设有第一通孔，所述泵轴(4)的一端中心设有T型通孔，所述T型通孔包括轴向孔(e)和径向孔(f)，所述轴向孔(e)一端与第一通孔连通，所述轴向孔(e)另一端与若干径向孔(f)连通，每个所述径向孔(f)与后泵腔连通。
3.根据权利要求2所述的轴向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述第一通孔的直径为(0.1～0.5)d，其中d为泵轴(4)的直径。
4.根据权利要求2所述的轴向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述叶轮(1)包括副叶片(a)；所述副叶片(a)安装在叶轮(1)的后盖板(b)后部；
所述副叶片(a)的进口边直径为(1.1～1.5)d，所述副叶片(a)的出口边直径与叶轮出口直径相等；所述副叶片(a)为圆柱形或扭曲形叶片，所述副叶片(a)轴面截线形状程直角梯形或矩形，且所述副叶片(a)出口边宽度L2＝(0.5～0.9)δ，其中δ为叶轮后盖板出口边缘与泵壳之间的距离，而所述副叶片(a)进口边宽度L1＝(1～5)L2；所述副叶片(a)的右侧为开敞。
5.根据权利要求4所述的轴向力自平衡的离心泵，其特征在于，所述径向孔(f)数量为2～Z，其中Z为叶轮(1)叶片数，所述副叶片(a)的数量与径向孔(f)的数量相同；所述径向孔(f)出口与副叶片流道进口对齐。
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