CN114278605B - 一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，用来减小大流量下动反力推动叶轮轮毂摩擦静止水力部件的功率；通过计算，确定大流量下动反力是否超过叶轮自重顶起叶轮；如果叶轮被顶起与静止水力部件形成轮毂摩擦副时，进一步计算泵轴增加的额外功率是否大于容许摩擦功率；如果超出容许摩擦功率，通过在叶轮轮毂与静止水力部件间放置垫片减小摩擦副的动摩擦因数，从而避免机组超功率损坏，确保机组运转安全。本发明具有设计简单、便于装配等优点。

Description

一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副

技术领域

本发明涉及水利工程中的水力机械领域，具体涉及一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，用来减小大流量下动反力推动叶轮轮毂摩擦静止水力部件增加的额外功率。

背景技术

浮动式叶轮一般用于深井泵、潜水泵、潜油泵等液体输送系统。浮动式叶轮立式离心泵主要依靠叶轮的上下浮动，提供活动范围，从而防止液体中杂质将叶轮卡死。大部分公开文献都对相关设计进行研究，但在实际使用过程中发现，当处于大流量情况下，叶轮将被增大的动反力顶起使叶轮轮毂摩擦静止水力部件，轴功率急剧增大导致机组超功率损坏。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明提供了一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，用来减小大流量下动反力推动叶轮轮毂摩擦静止水力部件增加的额外功率，实现机组安全运转。

本发明提供的技术方案是：

一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，用来减小大流量下动反力推动叶轮轮毂摩擦静止水力部件的功率；通过计算，确定该离心泵在大流量下动反力是否超过叶轮自重顶起叶轮；如果叶轮被顶起与静止水力部件形成轮毂摩擦副，则计算泵轴增加的额外功率是否大于容许摩擦功率；如果超出容许摩擦功率，则在叶轮轮毂与静止水力部件间放置垫片以减小摩擦副的动摩擦因数，从而避免机组超功率损坏，确保机组运转安全；

其设计过程为：设立式离心泵的设计流量是Q_n，立式离心泵的实际流量是Q，立式离心泵的设计功率是P_n，立式离心泵的设计扬程是H_n，立式离心泵的泵轴转速是ω，立式离心泵的流量范围是Q_min≤Q≤Q_max；用材料A加工立式离心泵的叶轮和静止水力部件，则轮毂摩擦副是由轮毂与静止水力部件组成，为材料A-材料A摩擦，设材料A-材料A的动摩擦因数是f₁；对于立式离心泵，一般情况下叶轮后盖板力大于前盖板，也就是叶轮受到的盖板力是从轮毂指向叶轮进口，与叶轮重力方向一致；为防止叶轮轮毂摩擦静止水力部件导致轴功率急剧增大并保有一定设计余量，以下大流量下叶轮推力计算只考虑动反力T，以动反力等于叶轮自重为临界平衡条件；

具体设计步骤包括：

S1：选取最大流量Q_max下叶轮受到的动反力，其定义为式(一)：

式中：Q_max为立式离心泵的最大流量，单位是m³/h；ρ为工作介质的密度，单位是kg/m³；A₁为叶轮进口有效冲击面积，单位是m2；v₀为最大流量下叶轮进口稍前轴面速度，

单位是m/s；v₁为叶轮出口稍后轴面速度，单位是m/s；α为叶轮出口稍后轴面速度与轴线方向的夹角；β₀、β₁为动量修正系数，取值范围：0≤β₀≤2、0≤β₁≤2；

如果T≤G，即在立式离心泵的最大流量Q_max下，水流给叶轮的动反力不能推动叶轮与静止水力部件摩擦，则不需要进行摩擦副重新设计，仍然采用材料A-材料A摩擦，转至步骤S5；如果T＞G，则需要重新设计摩擦副，转至步骤S2；

S2：选取电机超功率容许系数C₁，其取值范围：0≤C₁≤2；

S3：选取叶轮轮毂与静止水力部件摩擦时泵轴增加的额外功率P_g，其定义为式(二)：

式中：T为叶轮受到的动反力，单位是N；G为叶轮自重，单位是N；f₁为材料A-材料A的动摩擦因数；A₂为轮毂摩擦副有效摩擦面积，单位是m²；r为径向坐标，单位是m；ω为立式离心泵的泵轴转速，单位是r/min；dA₂为轮毂摩擦副有效摩擦微分面积，单位是m²；

如果P_g≤C₁·P_n，在立式离心泵的最大流量Q_max情况下，泵轴增加的额外功率小于容许摩擦功率，不需要进行摩擦副重新设计，仍然采用材料A-材料A摩擦，转至步骤S5；

如果P_g＞C₁·P_n，则需要重新设计摩擦副，采用材料A-材料B摩擦，防止叶轮轮毂摩擦静止水力部件导致轴功率急剧增大，转至步骤S4；

S4：选取放置在叶轮轮毂与静止水力部件之间的垫片，其动摩擦因数f₂定义为式(三)：

式中：P_n为立式离心泵的设计功率，单位是kW；T为叶轮受到的动反力，单位是N；G为叶轮自重，单位是N；f₂为材料A-材料B的动摩擦因数；A′为放置垫片后轮毂摩擦副的有效摩擦面积，单位是m²，取值范围：0.5A₂≤A′≤1.5A₂；dA′为放置垫片后轮毂摩擦副的有效摩擦微分面积，单位是m²；

S5：设计结束。

进一步的，电机超功率容许系数C₁的取值范围为：0≤C₁≤2。

作为优选的方案，动量修正系数β₀、β₁的取值范围为：0＜β₀≤2、0＜β₁≤2。

作为优选的方案，垫片的形状规则，垫片面积的取值范围为：0.5A₂≤A′≤1.5A₂，垫片厚度选择需保证叶轮能够自由浮动。

作为优选的方案，所述的材料A选自塑料、铸铁或铸钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，利用动反力等于叶轮自重及泵轴增加的额外功率等于容许摩擦功率为临界平衡条件，计算出需要放置垫片的动摩擦因数，本发明具有设计简单、便于装配等优点。

附图说明

图1：本发明提供的一种浮动式叶轮轮毂摩擦副的剖视图。

图中：1-叶轮进口，2-叶轮出口，3-叶轮，3-1-叶轮轮毂，4-垫片，5-静止水力部件。

具体实施方式

以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明提供了一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，通过计算，确定该离心泵在大流量下动反力是否超过叶轮自重顶起叶轮3。如果叶轮3被顶起与静止水力部件5形成轮毂摩擦副时，进一步计算泵轴增加的额外功率是否大于容许摩擦功率。如果超出容许摩擦功率，通过在叶轮轮毂3-1与静止水力部件5间放置垫片4减小摩擦副的动摩擦因数，从而避免机组超功率损坏，确保机组运转安全。

设立式离心泵的设计流量是Q_n，立式离心泵的实际流量是Q，立式离心泵的设计功率是P_n，立式离心泵的设计扬程H_n，立式离心泵的泵轴转速ω，立式离心泵的流量范围是Q_min≤Q≤Q_max。用材料A加工立式离心泵的叶轮3和静止水力部件5，材料A可以选自塑料、铸铁或铸钢，则轮毂摩擦副是由轮毂3-1与静止水力部件5组成，为材料A-材料A摩擦，设材料A-材料A的动摩擦因数是f₁。对于立式离心泵，大流量下叶轮3推力计算只考虑动反力T，以动反力T等于叶轮自重G为临界平衡条件。

建立的设计步骤包括：

S1：选取最大流量Q_max下叶轮3受到的动反力，其定义为式(一)：

式中：Q_max为立式离心泵的最大流量，单位是m³/h；ρ为水的密度，取值1000kg/m³；A₁为叶轮进口1有效冲击面积，单位是m²；v₁为叶轮出口2稍后轴面速度，单位是m/s；α为叶轮出口2稍后轴面速度与轴线方向的夹角；β₀、β₁为动量修正系数，取值范围：0≤β₀≤2、0≤β₁≤2。。

如果T≤G，即在立式离心泵的最大流量Q_max下，水流给叶轮3的动反力不能推动叶轮3与静止水力部件5摩擦，则不需要进行摩擦副重新设计，仍然采用材料A-材料A摩擦，转至步骤S5。如果T＞G，则需要重新设计摩擦副，转至步骤S2。

S2：选取电机超功率容许系数C₁，其取值范围：0≤C₁≤2。

S3：选取叶轮轮毂3-1与静止水力部件5摩擦时泵轴增加的额外功率P_g，其定义为式(二)：

式中：T为叶轮3受到的动反力，单位是N；G为叶轮3自重，单位是N；f₁为材料A-材料A的动摩擦因数；A₂为轮毂摩擦副有效摩擦面积，单位是m²；r为径向坐标，单位是m；ω为立式离心泵的泵轴转速，单位是r/min；dA₂为轮毂摩擦副有效摩擦微分面积，单位是m²。

如果P_g≤C₁·P_n，在立式离心泵的最大流量Q_max情况下，泵轴增加的额外功率小于容许摩擦功率，不需要进行摩擦副重新设计，仍然采用材料A-材料A摩擦，转至步骤S5。

如果P_g＞C₁·P_n，则需要重新设计摩擦副，采用材料A-材料B摩擦，防止叶轮轮毂3-1摩擦静止水力部件5导致轴功率急剧增大，转至步骤S4。

S4：选取放置在叶轮轮毂3-1与静止水力部件5之间的垫片4，其动摩擦因数f₂定义为式(三)：

式中：P_n为立式离心泵的设计功率，单位是kW；T为叶轮3受到的动反力，单位是N；G为叶轮3自重，单位是N；f₂为材料A-材料B的动摩擦因数；A′为放置垫片4后轮毂摩擦副的有效摩擦面积，单位是m²，取值范围：0.5A₂≤A′≤1.5A₂；dA′为放置垫片4后轮毂摩擦副的有效摩擦微分面积，单位是m²。

S5：设计结束。

如图1所示，本实施例中，设计了一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，用来减小大流量下动反力推动叶轮轮毂3-1摩擦静止水力部件5导致轴增加的功率。设立式离心泵的设计流量是9m³/h，立式离心泵设计扬程8m，立式离心泵的设计功率是0.60kW，立式离心泵的实际流量是Q，立式离心泵的泵轴转速1450r/min，立式离心泵的流量范围是0m³≤Q≤27m³。设计叶轮进口1的直径为65mm，叶轮轮毂3-1的内直径为25mm，外直径35mm，叶轮3体积450000mm³。

具体实施例中，动量修正系数β₀、β₁均取值为1，材料A-材料A的动摩擦因数f₁取值为2.5g/cm³，放置垫片4后轮毂摩擦副的有效摩擦面积A′≈A₂。

建立的设计步骤包括：

S1：选取最大流量Q_max下叶轮3受到的动反力，其定义为式(一)：

叶轮自重G＝ρVg＝11.025N，所以T＞G，需要重新设计摩擦副，转至步骤S2。

S2：选取电机超功率容许系数C₁＝0.3。

S3：选取叶轮轮毂3-1与静止水力部件5摩擦时泵轴增加的额外功率P_g，其定义为式(二)：

容许摩擦功率C₁·P_n＝0.165kW，P_g＞C₁·P_n，需要重新设计摩擦副，转至步骤S4。

S4：选取放置在叶轮轮毂3-1与静止水力部件5之间的垫片4，其动摩擦因数f₂定义为式(三)：

S5：设计结束。

根据上式算出的f₂最大值，查阅相关资料可知IFH氟塑料与钢片的动摩擦因数小于0.06，所以在叶轮轮毂3-1与静止水力部件5之间放置钢片可减小大流量下动反力推动叶轮轮毂3-1摩擦静止水力部件5导致轴增加的功率，从而避免机组超功率损坏，确保机组运转安全。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，其特征在于：通过计算，确定该离心泵在流量Q_max下动反力是否超过叶轮自重顶起叶轮(3)；如果叶轮(3)被顶起与静止水力部件(5)形成轮毂摩擦副，则计算泵轴增加的额外功率是否大于容许摩擦功率；如果超出容许摩擦功率，则在该离心泵的叶轮轮毂(3-1)与静止水力部件(5)间放置垫片(4)以减小摩擦副的动摩擦因数，从而避免机组超功率损坏，确保机组运转安全；

其设计过程为：设立式离心泵的设计流量为Q_n，立式离心泵的实际流量为Q，立式离心泵的设计功率为P_n，立式离心泵的设计扬程为H_n，立式离心泵的泵轴转速为ω，立式离心泵的流量范围是Q_min≤Q≤Q_max；用材料A加工立式离心泵的叶轮(3)和静止水力部件(5)，则轮毂摩擦副由叶轮轮毂(3-1)与静止水力部件(5)组成，为材料A-材料A摩擦，设材料A-材料A的动摩擦因数是f₁；对于立式离心泵，大流量下叶轮(3)推力计算只考虑动反力T，以动反力T等于叶轮自重G为临界平衡条件；设计步骤包括：

S1：选取最大流量Q_max下叶轮(3)受到的动反力，其定义为式(一)：

式中：Q_max为立式离心泵的最大流量，单位是m³/h；ρ为工作介质的密度，单位是kg/m³；A₁为叶轮进口(1)有效冲击面积，单位是m²；v₁为叶轮出口(2)稍后轴面速度，单位是m/s；α为叶轮出口(2)稍后轴面速度与轴线方向的夹角；β₀、β₁为动量修正系数；

如果T≤G，即在立式离心泵的最大流量Q_max下，水流给叶轮(3)的动反力不能推动叶轮轮毂(3-1)与静止水力部件(5)摩擦，则不需要进行摩擦副重新设计，仍然采用材料A-材料A摩擦，转至步骤S5；如果T>G，则需要重新设计摩擦副，转至步骤S2；

S2：选取电机超功率容许系数C₁；

S3：选取叶轮轮毂(3-1)与静止水力部件(5)摩擦时泵轴增加的额外功率P_g，其定义为式(二)：

式中：T为叶轮(3)受到的动反力，单位是N；G为叶轮(3)自重，单位是N；f₁为材料A-材料A的动摩擦因数；A₂为轮毂摩擦副有效摩擦面积，单位是m²；r为径向坐标，单位是m；ω为立式离心泵的泵轴转速，单位是r/min；dA₂为轮毂摩擦副有效摩擦微分面积，单位是m²；

如果P_g≤C₁·P_n，在立式离心泵的最大流量Q_max情况下，泵轴增加的额外功率小于容许摩擦功率，不需要进行摩擦副重新设计，仍然采用材料A-材料A摩擦，转至步骤S5；

如果P_g>C₁·P_n，则需要重新设计摩擦副，采用材料A-材料B摩擦，防止叶轮轮毂(3-1)摩擦静止水力部件(5)导致轴功率急剧增大，转至步骤S4；

S4：选取放置在叶轮轮毂(3-1)与静止水力部件(5)之间的垫片(4)，其动摩擦因数f₂定义为式(三)：

式中：P_n为立式离心泵的设计功率，单位是kW；T为叶轮(3)受到的动反力，单位是N；G为叶轮(3)自重，单位是N；f₂为材料A-材料B的动摩擦因数；A^′为放置垫片(4)后轮毂摩擦副的有效摩擦面积，单位是m²；dA^′为放置垫片(4)后轮毂摩擦副的有效摩擦微分面积，单位是m²；

S5：设计结束。

2.根据权利要求1所述的带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，其特征在于：电机超功率容许系数C₁的取值范围为：0≤C₁≤2。

3.根据权利要求1所述的带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，其特征在于：动量修正系数β₀、β₁的取值范围为：0<β₀≤2、0<β₁≤2。

4.根据权利要求1所述的带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，其特征在于：放置垫片(4)后轮毂摩擦副的有效摩擦面积A^′的取值范围为：0.5A₂≤A^′≤1.5A₂，垫片(4)厚度的选择需保证叶轮(3)能够自由浮动。

5.根据权利要求1所述的带浮动式叶轮立式离心泵的轮毂摩擦副，其特征在于：所述的材料A选自塑料、铸铁或铸钢。

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