CN202381406U - 屏蔽泵轴向力平衡装置 - Google Patents

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施卫东
任晓锋
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Abstract

本实用新型涉及屏蔽泵轴向力平衡装置，属于流体机械领域中的泵装置。该装置包括泵体、主叶轮、副叶轮、泵轴、推力轴承、前径向轴承、后径向轴承，通过副叶轮带动冷却循环液体工作，在不需外加动力情况下达到了很好冷却效果，实现系统节能。同时，副叶轮产生的轴向力平衡了主叶轮产生的轴向力，由于副叶轮与主叶轮同轴，基本消除了其他屏蔽泵轴向力平衡方法中随着工况变化残余较大轴向力的缺陷，使轴承的负荷减小，延长轴承使用寿命，实现了屏蔽泵的安全可靠运行。本发明结构简单，设计合理。适用于卧式或立式等结构形式的离心泵。

Description

屏蔽泵轴向力平衡装置
技术领域
本实用新型涉及屏蔽泵轴向力平衡装置，属于流体机械领域中的泵装置。 
背景技术
屏蔽泵作为一种无轴封、绝对无泄漏，结构紧凑、体积小、重量轻，无冷却风扇、噪声较低的离心泵，广泛应用于石油化工、航空航天、国防军工、环保等重要领域，用来输送易燃、易爆、易挥发、腐蚀性、剧毒、贵重等介质。但由于其自身的特点，屏蔽泵的轴向力平衡成为影响屏蔽泵使用寿命和效率的关键因素。实践表明，屏蔽泵的失效很多是由于轴向力太大、未能很好平衡造成了石墨轴承损坏。因此，进行屏蔽泵轴向力平衡新方法的研究，尽可能减少或者消除轴向力的破坏显得尤为重要。 
(1)屏蔽泵工作原理 
屏蔽泵由屏蔽电动机和泵组成为一体，被封闭在一个充满输送介质的压力容器内，其只有静密封，无旋转轴封。屏蔽泵的叶轮和电机转子固定在同一轴上，屏蔽套将电机转子和定子隔开，转子通过定子磁场传递的动力在输送介质中运转，带动叶轮工作。电机定子及液力滑动轴承由被输送介质冷却和润滑。通常屏蔽泵轴向力通过液压均衡方式自动平衡，滑动轴承推力盘只是在起动和停止瞬间承受轴向力。
(2)屏蔽泵轴向力平衡分析 
    对于屏蔽泵而言，轴向力的形成是由液体作用在叶轮前后盖板压力差而产生的指向叶轮吸入口的轴向力 ，液体流经叶轮进口与出口方向发生变化引起的作用在叶轮上的动反力
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE002
，轴头等的水压力及立式泵中转子的重力
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE004
的合力。假定轴向力指向叶轮吸入口方向为正，则屏蔽泵轴向力表达式为：
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE005
                     （1）
其中的大小取决于前后盖板上的压力分布和液体通过叶轮与泵壳之间的泄漏量及其方向。
    从轴向力的计算公式可以看出，轴向力的大小与泵送介质的特性有一定关系，单纯用同一种型号的轴承平衡不同介质产生的轴向力是不可行的。由于造成轴向力的主要部件是叶轮，所以通常采用在叶轮后盖板上设置密封环，同时在叶轮轮毂处开平衡孔或在盖板上增加背叶片来平衡屏蔽泵轴向力。但这些传统的方法不能完全平衡轴向力，只能对一般有滚动轴承的离心泵起到良好作用，因为滚动轴承可以承担残余轴向力。而对于屏蔽泵除了一些低比转速泵可以用这种方式平衡轴向力外，大多数泵用这种方式消除轴向力是远远不够的，常常会造成石墨轴承的异常磨损。 
    因此，一般平衡方法难以解决屏蔽泵轴向力的平衡问题。采用新的轴向力平衡结构及方法显得十分必要。 
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供屏蔽泵轴向力平衡装置。 
屏蔽泵轴向力平衡装置，包括泵体、主叶轮、副叶轮、泵轴、推力轴承、前径向轴承、后径向轴承，其中所述泵体为竖直方向圆筒状，所述泵轴为自下而上的阶梯轴，泵轴下端设有主叶轮、上端设有副叶轮，主叶轮和副叶轮均通过平键与泵轴相联，在副叶轮下部设有推力轴承，泵轴中部还固定设有内磁转子，其上下部分别设有固定在泵轴上的后径向轴承、前径向轴承，内磁转子外部设有屏蔽套间隙；上述装置中的推力轴承开有径向沟槽，后径向轴承与泵轴之间形成后径向轴承环形间隙，前径向轴承与泵轴之间形成前径向轴承环形间隙，泵体外部还安装有外循环管；上述推力轴承的径向沟槽、后径向轴承环形间隙、屏蔽套间隙、前径向轴承环形间隙与外循环管构成一个完整的冷却循环回路，冷却循环回路与副叶轮组成平衡主叶轮产生的轴向力的平衡系统，冷却循环回路内部装有冷却液，其在副叶轮带动下循环流动，平衡轴向力。 
上述装置中的副叶轮随同主叶轮同步工作。 
上述装置中的泵体上部还设有使泵体内外相通的注水口。 
本实用新型的优点：
本实用新型通过增加一个副叶轮带动冷却循环液体工作，在不需外加动力情况下达到了很好冷却效果，实现系统节能。同时，副叶轮产生的轴向力平衡了主叶轮产生的轴向力，由于副叶轮与主叶轮同轴，基本消除了其他屏蔽泵轴向力平衡方法中随着工况变化残余较大轴向力的缺陷，使轴承的负荷减小，延长轴承使用寿命，实现了屏蔽泵的安全可靠运行。本实用新型结构简单，设计合理。适用于卧式或立式等结构形式的离心泵。
附图说明
图1是屏蔽泵结构示意图； 
图中1泵体，2主叶轮，3前径向轴承，4屏蔽套间隙，5内磁转子，6泵轴，7外循环管，8后径向轴承，9推力轴承，10副叶轮。
图2是冷却循环回路示意图；图中3前径向轴承，4屏蔽套间隙，7外循环管，8后径向轴承，9推力轴承，10副叶轮，为冷却循环流量。 
图3是副叶轮结构示意图；图中6泵轴，9推力轴承，10副叶轮。 
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE007
为副叶轮进口压力，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE008
为副叶轮出口压力，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE009
为液体流经推力轴承后压力；
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE010
为叶轮轮毂半径，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE011
为副叶轮半径，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE012
为副叶轮口环半径，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE013
为推力轴承处轴的半径，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE014
为推力轴承内半径，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE015
为推力轴承外半径。 
具体实施方式
如图1和图2所示，屏蔽泵轴向力平衡装置，包括泵体1、主叶轮2、副叶轮10、泵轴6、推力轴承9、前径向轴承3、后径向轴承8，其中所述泵体1为竖直方向圆筒状，所述泵轴6为自下而上的阶梯轴，泵轴6下端设有主叶轮2、上端设有副叶轮10，主叶轮2和副叶轮10均通过平键与泵轴6相联，在副叶轮10下部设有推力轴承9，泵轴6中部还固定设有内磁转子5，其上下部分别设有固定在泵轴6上的后径向轴承8、前径向轴承3，内磁转子5外部设有屏蔽套间隙4；上述装置中的推力轴承9开有径向沟槽，后径向轴承8与泵轴6之间形成后径向轴承环形间隙，前径向轴承3与泵轴6之间形成前径向轴承环形间隙，泵体1外部还安装有外循环管7；上述推力轴承9的径向沟槽、后径向轴承环形间隙、屏蔽套间隙、前径向轴承环形间隙与外循环管7构成一个完整的冷却循环回路，冷却循环回路与副叶轮10组成平衡主叶轮2产生的轴向力的平衡系统，冷却循环回路内部装有冷却液，其在副叶轮10带动下循环流动，平衡轴向力。 
上述装置中的副叶轮10随同主叶轮2同步工作。 
上述装置中的泵体上部还设有使泵体内外相通的注水口。 
1．思路及原理
    这种方法的原理就是设计一个副叶轮，通过副叶轮产生的轴向力与主叶轮产生的轴向力相互平衡，从而消除轴向力。当屏蔽泵主叶轮开始工作时，将产生一个较大的轴向力；与此同时，副叶轮开始工作，带动冷却液在冷却回路中循环流动，副叶轮也将产生一个轴向力，此轴向力与主叶轮产生的轴向力及转子重力等合力大小相等，方向相反。
2．计算方法 
    设计时通常采用校核计算的方法，先由泵的总体结构要求初步确定主叶轮产生的轴向力大小及冷却循环流量，计算冷却液经过冷却循环回路后产生的压头损失，从而得出决定副叶轮的性能参数（流量和扬程）。初步设计副叶轮，确定主要的参数，然后根据两叶轮产生的轴向力平衡，反算出副叶轮口环直径，如果平衡后残余轴向力小于规定值，说明设计合理。
下面结合工程实例对本实用新型作进一步说明。 
2.1磁力泵平衡前轴向力 
    通过试验测量：电机转速n=2950r/min时，主叶轮产生的轴向力为7000N，转动部件自重320kg，则总轴向力为
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE016
N。
2.2 计算各管路压力降 
    已知：冷却循环流量。
（1）推力轴承径向沟槽压力降 
，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE017
；则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE018
。
（2）后径向轴承处压力降 
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE019
；则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE020
。
（3）屏蔽套间隙压力降
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE021
进口阻力系数
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE022
取0.05，出口阻力系数取1，当
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE024
取0.04时，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE025
；则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE027
；则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE028
。
（4）前径向轴承处的压力降
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE030
，m2，m
（5）外循环管压力降
Figure DEST_PATH_980903DEST_PATH_IMAGE029
进口阻力系数
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE033
取0.05，出口阻力系数取1，沿程阻力系数
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE035
确定流动类型：雷诺数
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE036
>4000，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE037
m/s。因
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE038
<
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE039
<
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE040
，用尼克拉兹公式
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE041
，则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE042
，故
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE043
m。
总压力降：m 
2.3 设计副叶轮
确定流量
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE045
式中
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE046
为泄漏流量，与口环半径有关，这里取0.6m3/h，故
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE047
=9m3/h。
确定扬程
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE048
，故m。 
确定主要几何参数 
叶轮直径 
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE050
mm
叶片宽度 
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE051
5mm
叶片进出口安放角15.6，35
叶轮入口直径
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE054
95mm
叶轮口环直径
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE055
mm
2.4 计算副叶轮产生的轴向力
1．副叶轮受力
（1）副叶轮前端受力
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE056
（2）动反力
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE057
N，可忽略不计。
（3）推力轴承处压力差形成的轴向力
Figure DEST_PATH_781148DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE058
(N)
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE059
(N)
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE060
(N)
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE061
(N)
2．副叶轮形成的轴向力
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE062
若MPa，则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE064
MPa，则(N)
2.5 内磁转子两端压力差形成的轴向力
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE066
(N)
2.6 轴向力平衡
由平衡公式：
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE067
N，则不能满足平衡要求，需加大副叶轮口环直径。
取叶轮口环直径
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE068
mm 
则
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE069
(N)
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE070
(N)
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE071
(N)
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE072
(N)
故
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE073
    当副叶轮口环直径
Figure DEST_PATH_485012DEST_PATH_IMAGE068
mm时，能基本完全平衡轴向力。

Claims (3)

1.屏蔽泵轴向力平衡装置，其特征在于包括泵体、主叶轮、副叶轮、泵轴、推力轴承、前径向轴承、后径向轴承，其中所述泵体为竖直方向圆筒状，所述泵轴为自下而上的阶梯轴，泵轴下端设有主叶轮、上端设有副叶轮，主叶轮和副叶轮均通过平键与泵轴相联，在副叶轮下部设有推力轴承，泵轴中部还固定设有内磁转子，其上下部分别设有固定在泵轴上的后径向轴承、前径向轴承，内磁转子外部设有屏蔽套间隙；上述装置中的推力轴承开有径向沟槽，后径向轴承与泵轴之间形成后径向轴承环形间隙，前径向轴承与泵轴之间形成前径向轴承环形间隙，泵体外部还安装有外循环管；上述推力轴承的径向沟槽、后径向轴承环形间隙、屏蔽套间隙、前径向轴承环形间隙与外循环管构成一个完整的冷却循环回路，冷却循环回路与副叶轮组成平衡主叶轮产生的轴向力的平衡系统，冷却循环回路内部装有冷却液，其在副叶轮带动下循环流动，平衡轴向力。
2.根据权利要求1所述的屏蔽泵轴向力平衡装置，其特征在于上述装置中的副叶轮随同主叶轮同步工作。
3.根据权利要求1所述的屏蔽泵轴向力平衡装置，其特征在于上述装置中的泵体上部还设有使泵体内外相通的注水口。
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