CN114542523A - 水泵及水泵阻流片的高度和外径确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泵及水泵阻流片的高度和外径确定方法，水泵包括：泵盖、蜗壳、传动轴和叶轮，泵盖和蜗壳固定连接，叶轮设于蜗壳内，传动轴转动安装于泵盖上，叶轮安装于传动轴上，传动轴和泵盖之间设有水封，泵盖内表面固定设有阻流片，阻流片与叶轮背面相对，若干阻流片周向设于水封的外侧。本申请在在泵盖与叶轮相对处设有阻流片，阻流片绕水封设置，阻流片使叶轮背面中心区域的水流产生湍流，湍流区域内产生高速流，根据能力守恒定律，水的压力能转化为水的动能，使得湍流区域压力大大减小，叶轮背面受到压力大大减小，从而使轴向力大大减小。

Description

水泵及水泵阻流片的高度和外径确定方法

技术领域

本发明涉及水泵技术领域，具体的说，涉及一种水泵及水泵阻流片的高度和外径确定方法。

背景技术

水泵在运转过程中，叶轮受到的轴向力主要包括叶轮前后盖不对称产生的轴向力，此力指向叶轮吸入口方向；液体作用在叶轮上产生的动反力，此力指向叶轮背面。其中前者为主要轴向力，轴向力合力指向叶轮吸入口方向，故水泵轴向力F基本上等于叶轮受到的前后压差。

如果不设法消除或平衡作用在叶轮上的轴向力，此轴向力将拉动传动轴轴向蹿动，造成水泵零件(水封、轴承等)的异常受力以至损坏不能工作。目前常用在叶轮上开平衡孔的方法来平衡水泵的轴向力。

如图1所示，在叶轮1的后盖11上设有密封环13，流体通过密封环13的间隙流入叶轮1背面的空腔中，同时在后盖11上开平衡孔12。由于液体流经密封环13间隙时有压力损失，使得叶轮1背面空腔中的液体压力下降，从而减小作用在后盖11上的轴向力。减小的轴向力的程度取决于平衡孔12的数量和孔径的大小。需说明的是密封环13和平衡孔12是相辅相成的，只设密封环13无平衡孔12不能平衡轴向力，只设平衡孔12不设密封环13，其结果是泄漏量很大，平衡轴向力的程度甚微。

通常取平衡孔总面积等于五倍密封环13间隙的面积，在这种情况下，仍有10％～15％的不平衡轴向力。而目前实际应用中，由于制造及装配原因，密封环13的间隙控制不住，通常大于平衡孔12面积，无法起到节流作用，因此，一些水泵中，甚至直接取消了密封环13的设计。这样导致水泵叶轮1前后的压力差非常大，作用在叶轮1上的轴向力达几千牛。

另外，采用这种平衡方式，其缺点是容积损失增加(平衡孔12的泄漏量一般为设计流量的2％～5％)。同时，经过平衡孔的泄露流与进入叶轮1的主液流相冲击，破坏正常的流动状态，会使泵的抗汽蚀性能下降。

发明内容

针对上述不足，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种能够有效减少叶轮背面轴向力的水泵。基于同一个发明构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种能够确定阻流片高度和阻流片外径确定方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的第一个技术方案是：

一种水泵，包括：泵盖、蜗壳、传动轴和叶轮，所述泵盖和所述蜗壳固定连接，所述叶轮设于所述蜗壳内，所述传动轴转动安装于所述泵盖上，所述叶轮安装于所述传动轴上，所述传动轴和所述泵盖之间设有水封，其特征在于，所述泵盖内表面固定设有阻流片，所述阻流片与所述叶轮背面相对，若干所述阻流片周向设于所述水封的外侧。

优选地，所述叶轮的后盖设有一个或者两个平衡孔。

为解决上述第二个技术问题，本发明的第二个技术方案是：

一种水泵阻流片的高度和外径确定方法，所述水泵为上述的水泵，包括如下步骤：

S1、设定平衡孔处的最小水流速度Vmin，设定水泵轴向力F0；

S2、确定阻流片的外径D1和高度H,建立水泵的三维模型；

S3、打开水力模型仿真软件，将水泵的三维模型导入所述水力模型软件仿真，进行水泵水力模型仿真；

S4、所述水力模型仿真软件仿真得到水泵轴向力F，若F＜F0，则执行步骤S5，否则，增大D1，返回执行步骤S2；

S5、所述水力模型仿真软件仿真得出所述平衡孔处的水流速度V，若V≥Vmin，则执行步骤S6，否则，减小H，返回执行步骤S2；

S6、结束。

优选地，步骤S1中，设定平衡孔处的最大水流速度Vmax；

在步骤S5和步骤S6之间还有步骤S51；

S51、若Vmax≥V，则执行步骤S6，否则，增大H，返回步骤S2。

优选地，Vmin＝2m/s，Vmax＝3m/s。

优选地，步骤S2中，D1＝D_入。

优选地，所述阻流片偏离所述传动轴的中心。

优选地，所述阻流片和所述传动轴的中心之间的距离为E，所述阻流片的内径为D2，E＝(D1-D2)/2。

优选地，所述阻流片设有三片或者四片。

优选地，所述水力模型仿真软件为pumplinx。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本申请在在泵盖与叶轮相对处设有阻流片，阻流片绕水封设置，阻流片使叶轮背面中心区域的水流产生湍流，湍流区域内产生高速流，根据能力守恒定律，水的压力能转化为水的动能，使得湍流区域压力大大减小，叶轮背面受到压力大大减小，从而使轴向力大大减小，水泵无需设置密封环。

附图说明

图1是现有技术中水泵的剖视结构示意图；

图2是本发明水泵的剖视示意图；

图3是图2中阻流片的侧视结构示意图；

图4是图3的侧视结构示意图；

图5是水泵阻流片的高度和外径确定方法的流程框图；

图中：1、叶轮；11、后盖；12、平衡孔；13、密封环；2、蜗壳；3、泵盖；31、阻流片；4、传动轴；5、水封。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，且不用于限定本发明。

如图2、图3和图4共同所示，一种水泵，包括：泵盖3、蜗壳2、传动轴4和叶轮1，泵盖3和蜗壳2固定连接形成泵壳，叶轮1设于蜗壳2内，传动轴4转动安装于泵盖3上，叶轮1安装于传动轴4上，传动轴4和泵盖3之间设有水封5，泵盖3内表面固定设有三条或者四条阻流片31，阻流片31与叶轮1背面相对，阻流片31绕设于水封5的外侧且周向设置。优选地，本实施例中，阻流片31和泵盖3一体铸造成型，也可以采用焊接或者螺栓连接，阻流片31绕设于水封5的外侧且周向均布设置。

水泵工作时，受到的轴向力为F，在忽略液体作用在叶轮1上的动反力情况下，F等于叶轮1受到的前后压力差，即，F＝F_后-F_前，F_后表示叶轮1的后侧受到的压力，F_前表示叶轮1的前侧受到的压力。

F_前＝(S_前盖-S_入口)*P_前，S_前盖表示叶轮1前侧的受压面积，S_入口表示水泵入口面积，(S_前盖-S_入口)表示叶轮1前侧外边缘的受压面积，P_前表示叶轮1前侧受到的水压压强。

F_后＝S_{后盖外边缘}*P_后外边缘+S_后盖中心*P_后盖中心，S_{后盖外边缘}表示叶轮1后侧外边缘的受压面积，P_后表示叶轮1后侧外边缘受到的水压压强，S_后盖中心表示叶轮1后侧中心区域的受压面积，P_后盖中心表示叶轮1后侧中心区域的水压压强。

F_前公式表示叶轮1的前侧受到的压力基本上来自叶轮1的前侧外边缘，叶轮1的前侧外边缘受到的压力和后侧外边缘受到的压力大部分相互抵消，故轴向力F主要来自于叶轮1后侧的中心部位，即S_后盖中心*P_后盖中心得到的值非常接近轴向力F。本申请在在泵盖3与叶轮1相对处设有阻流片31，阻流片31绕水封5设置，阻流片31使叶轮1背面中心区域的水流产生湍流，湍流区域内产生高速流，根据能力守恒定律，水的压力能转化为水的动能，使得湍流区域压力大大减小，即P_后盖中心大大减小，S_后盖中心*P_后盖中心得到的值大大减小，叶轮1背面受到的压力大大减小，水泵的轴向力F大大减小，水泵无需设置密封环。

水泵工作时，水封5产生大量的热量加热湍流区域的水，需要及时散热以满足水封5正常使用要求，叶轮1的后盖11上设有一个或者两个平衡孔12(图2中箭头表示水流方向)，在叶轮1前后压差作用下，湍流区域的水通过平衡孔12向前流动，使得湍流区域的水有进有出，冷水流进，热水流出，只有当平衡孔12处水流速度V足够大时，才能够保证湍流区域的水新陈代谢速率，使水封5能够得到充分冷却。故，平衡孔12处水流速度V有最小值Vmin，V≥Vmin。

阻流片31外径(阻流片31的外端所在的圆的直径)为D1，阻流片31的内径(阻流片31的内端所在的圆的直径)为D2，阻流片31的高度为H。

如图5所示，其中，阻流片31的外径D1和阻流片31的高度借助仿真软件确定，本实施例中采用pumplinx软件确定，确定方法如下：

S1、设定平衡孔12处的最小水流速度Vmin，设定水泵轴向力F0。

S2、确定阻流片的外径D1和高度H,建立水泵的三维模型。D1和H初始值根据经验或者现成的水泵模型获得，本实施例中，D1初始值等于D_入，D_入为水泵进水口的直径，水泵的三维模型采用SolidWorks、UG或者Pro/ENGINEER等软件绘制。

S3、打开pumplinx，将水泵的三维模型导入pumplinx，进行水泵水力模型仿真。

S4、pumplinx仿真得到水泵轴向力F，若F＜F0，则执行步骤S5，否则，增大D1，返回执行步骤S2。

S5、pumplinx仿真得出平衡孔12处的水流速度V，若V≥Vmin，则执行步骤S6，否则，减小H，返回执行步骤S2；

S6、结束。

平衡孔12处水流速度V取决于叶轮1的前后压差，即取决于轴向力F的大小，F越大，则V越大，当F0设定时，V的最大值Vmax确定，故无需比较V和Vmax。但是如果V过大，平衡孔12水流与流进叶轮1内的主液流流相冲击，破坏主液流正常的流动状态，会使水泵的抗汽蚀性能下降。故，需要在步骤S1中设定Vmax；在步骤S5和步骤6之间还有步骤S51；

S51、若Vmax≥V，则执行步骤S6，否则，增大H，返回步骤S2。

水封直径为D水封，D2略大于D水封，如果D2过大，则影响阻流片31的长度，影响湍流效果。

阻流片31可以沿径向设置也可以偏离传动轴4的中心(阻流片31的延长线不与传动轴4中心重合)，本实施例中阻流片31偏离传动轴4中心设置，偏离距离为E(图3中箭头指示叶轮1的旋转方向，沿叶轮1旋转方向，偏离距离E指的是阻流片31的前侧与传动轴4中心的距离)，E＝(D1-D2)/2。

优选地，Vmin＝2m/s，Vmax＝3m/s，在此速度时，不仅能够满足水封5的冷却需求，而且对水泵主液流破坏小，水泵的抗汽蚀性能不会明显下降。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.水泵，包括：泵盖、蜗壳、传动轴和叶轮，所述泵盖和所述蜗壳固定连接，所述叶轮设于所述蜗壳内，所述传动轴转动安装于所述泵盖上，所述叶轮安装于所述传动轴上，所述传动轴和所述泵盖之间设有水封，其特征在于，所述泵盖内表面固定设有阻流片，所述阻流片与所述叶轮背面相对，若干所述阻流片周向设于所述水封的外侧。

2.如权利要求1所述的水泵，其特征在于，所述叶轮的后盖设有一个或者两个平衡孔。

3.水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，所述水泵为权利要求2所述的水泵，包括如下步骤：

S1、设定平衡孔处的最小水流速度Vmin，设定水泵轴向力F0；

S2、确定阻流片的外径D1和高度H,建立水泵的三维模型；

S3、打开水力模型仿真软件，将水泵的三维模型导入所述水力模型软件仿真，进行水泵水力模型仿真；

S4、所述水力模型仿真软件仿真得到水泵轴向力F，若F＜F0，则执行步骤S5，否则，增大D1，返回执行步骤S2；

S5、所述水力模型仿真软件仿真得出所述平衡孔处的水流速度V，若V≥Vmin，则执行步骤S6，否则，减小H，返回执行步骤S2；

S6、结束。

4.如权利要求3所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，

步骤S1中，设定平衡孔处的最大水流速度Vmax；

在步骤S5和步骤S6之间还有步骤S51；

S51、若Vmax≥V，则执行步骤S6，否则，增大H，返回步骤S2。

5.如权利要求3所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，Vmin＝2m/s，Vmax＝3m/s。

6.如权利要求3所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，步骤S2中，D1＝D_入。

7.如权利要求6所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，所述阻流片偏离所述传动轴的中心。

8.如权利要求7所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，所述阻流片和所述传动轴的中心之间的距离为E，所述阻流片的内径为D2，E＝(D1-D2)/2。

9.如权利要求3所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，所述阻流片设有三片或者四片。

10.如权利要求3所述的水泵阻流片的高度和外径确定方法，其特征在于，所述水力模型仿真软件为pumplinx。

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