CN87203854U - 自动平衡轴向力的离心泵叶轮 - Google Patents

Abstract

自动平衡轴向力的离心泵叶轮涉及离心泵，尤其涉及多级离心泵的叶轮。由于本叶轮是以滑动配合装在泵轴上的，出口密封环内径φ₂为进口密封环内径φ₁的K倍(K为大于1的经验系数)。在上、下盖板止口端面上设计有上、下止推凸缘面，平衡孔是开在上止推面上的。在导流壳与泵轴之间有一嵌装在导流壳上的带有止推面的扶正瓦，平衡腔是由扶正瓦与上止推凸缘之间的间隙和平衡孔沟通的。故在任何工况下，叶轮都能自动平衡轴向力。

Description

本实用新型涉及离心泵，尤其是多级离心泵的叶轮。

由于井用潜水电泵具有排水量大、效率高、占地面积小、噪音低、使用维护方便等优点，使用日益广泛，逐渐取代了长轴深井泵和单级地面离心泵。尤其在井深超过200米的高扬程条件下，深井潜水电泵是主要的高效率提水工具。

潜水泵一般为多级离心泵。泵的每一级都是由一个相同的离心式叶轮和一个导流壳组成。位于最下部的潜水电动机通过联轴器驱动泵轴高速转动，带动固定于泵轴上的各级叶轮高速旋转，通过叶轮的水流被叶轮高速甩出，从叶轮出口经过导流壳进入下一级叶轮。每通过一级就被加压一次，最后从出口排到扬水管中涌出井口。

这种多级离心潜水泵的主要结构部分如图一所示，由叶轮（1）、导流壳（2）、扶正轴瓦（3）、进口密封环（4）、出口密封环（5）、轴套（6）、泵轴（7）、平键（8）等组成。

这种离心式潜水泵在运转过程中，由于水压力及水冲力的作用，必然要产生向下的轴向水压力的合力P₁、水流反冲力P₂和叶轮重量力P₃。其中P₁是由于作用于叶轮上，下盖板的水压力差形成的，而且在泵正常运转时，这个力通常比另两个作用力要大得多，其方向向下，只有在泵在低扬程、大流量运行时这个力才会小于叶轮的水流向上反冲力P₂使叶轮受到一个合力（合力F＝P₁－P₂＋P₃）。

上述三个力分别用下述公式计算。

P₁＝KHirπ（rω－rh）

P₂＝＝^Qt _gγ（Um－UmCOSλ）

P₃＝mg

其中：

P₁－作用在一个叶轮上的水压力合力，方向向下（kgf）

P₂－水流对叶轮的反冲力，方向同P相反（kgf）

P₃－叶轮重量（千克力）

Hi－单级扬程（米）

γ－液体密度（千克／米³）

γω－叶轮进口密封环半径（米）

γh－叶轮轮壳半径（米）

K－实验系数（与比较数ns有关，当ns＝40～200时K＝0.6～0.8）

Qt－通过叶轮的流量（米³／小时）

Um－液体进入叶轮叶片前的轴向分速度。

Um－液体流出叶轮后的轴面分速度。

λ₂－轴面分速度Um与叶轮轴线方向夹角（对于径流式叶轮λ₂＝90°时P₂＝^Qt _gγUm）

m＝叶轮质量（千克）

g－重力加速度常数为9.81米／秒

目前泵运转过程中作用其上的轴向力，一般采用下述两种方式平衡：（一）在电机下部设平面止推盘（对于充水湿式潜水电机）或向心滚动轴承（对于充油式潜水电机），作用在各级叶轮上的轴向力沿轴传到止推盘或滚动轴承上。这种方法对于扬程较低的泵轴向力小于500kg（112″井泵）尚能勉强使用，但这也确实是泵发生故障和影响使用寿命的主要原因之一。而当扬程较高，轴向力大于500kg时，对于充水式潜水电机就极难承担这个力了，即使是充油式潜水电机，其寿命也有所缩短。

（二）是采用如图一所示的叶轮双密封环并开平衡孔的方式。就是在叶轮前、后盖板上分别各加一个密封环（4、5）。而在后盖板上打若干个平衡孔（K），使平衡腔（A）与叶轮进口相通。一般进出口密封环制成内直径相等，这样可使叶轮向下的轴向力降低三分之二。另外三分之一轴向力仍需由电机止推盘负担。对于高扬程泵这个力仍然会大到难以承受的程度。为此，有人把叶轮出口密封环内直径加大，使其大于进口密封环内直径一定值，从而可使叶轮在正常工况下处于轴向力完全平衡的状态。然而，当泵偏离设计工况处于大流量运行时会不可避免地产生一个推动叶轮向上的合力（F），这个力使叶轮转子系统上窜，导致叶轮上盖板磨损或电机上止推盘磨损，使泵运转处于不稳定状态。

本实用新型旨在改进叶轮，以平衡轴向力，使泵无论在任何工况下或者高扬程下工作时，叶轮本身都能平衡其轴向力，并能在较大流量范围工况下处于上下悬浮状态，从根本上消除由于轴向力造成的各种磨损，延长叶轮的寿命，同时降低机械磨擦能耗，提高机组效率。

本实用新型是这样实现上述目的的：（参见图2）（一）把叶轮（1）设计成可沿泵轴（7）自由滑动的结构，叶轮是以滑动配合装在泵轴上的）。

（二）将叶轮上盖板上的出口密封环（5）的内径φ₂加大到为下盖板上的进口密封环（4）的内径φ₁的K倍（即φ₂＝Kφ₁，K为大于1的经验系数，对10″井潜水泵K等于1.3）。

（三）在叶轮的上、下盖板止口端面上设计有上、下止推凸缘面（M、N），并在上止推凸缘面（M）上打有若干平衡孔（K）。

（四）在导流壳与泵轴之间设置一个嵌装在导流壳上的带有止推面（B）的扶正瓦（9），它是用中低硬度的耐磨材料制成的。平衡腔（A）与叶轮腔由扶正瓦（9）的止推面（B）与叶轮止推凸缘面（M）之间的间隙（h）和平衡孔（K）沟通。

这样，进入平衡腔（A）的流液，在进入叶轮（1）进口时，必须先经过扶正瓦的止推面（B）与上止推凸缘面（M）之间的间隙（h）与平衡孔（K）。在设计额定工况点工作时，叶轮在泵轴上处于无磨擦的浮动状态，间隙（h）是一个定值（h₀）（h₀＝ (nd)/(5D) ，d－平衡孔直径，n－平衡孔的个数，D－平衡孔中心所处圆弧的圆直径），密封腔（A）中的压力也是一个定值。

叶轮在设计工况点工作，如果当叶轮（1）在实际间隙大于h₀的非设计位置时，密封腔（A）中的压力降低，叶轮在一个向上合力的作用下向上移动；随着间隙（h）的减小，密封腔（A）内的压力上升，向上轴向合力降低，直至合力变为零。反之，当叶轮处于实际间隙小于h。时，轴向合力向下，将叶轮下推，直至h＝h₀为止。所以，在工况点下工作的叶轮，总是在自动调节位置，保持最佳间隙h等于h₀的悬浮状态。

在某种大流量、低扬程的特殊工况下，会产生一个不很大的向上的轴向合力，使叶轮（1）的上止推面（M）压在扶正瓦（9）的止推面（B）上。然而，这种工况仅在高扬程潜水泵启动时才会出现，时间极短，不会损坏叶轮。而在扬程高、流量低的特殊工况下，向下轴向力使叶轮（1）下移，间隙h大于h₀，密封腔（A）压力降低，轴向力自动平衡，只是叶轮保持在间隙h大于h₀的某一位置，而叶轮依然处于悬浮状态。

图面说明：

图1为现用泵的叶轮结构图。

图2为本实用新型的叶轮结构图。其中：1－叶轮；2－导流壳3－导轴承；4－进口密封环；5－出口密封环；6－轴套；7－泵轴；8－平键；9－扶正瓦；M、N、B－止推面；K－平衡孔。

实施例与效果：

本人已用上述方案制作了一台250QJK70－450／18矿用深井潜水泵样机，设计了250QJK80系列规格产品和300QJK160－310／14深井潜水泵和DG型多级水泵。根据样机的初步试验表明：用本案案制作扬程400米的潜水泵是可行的；减少了泵的零件，免去了泵轴向窜量控制、降低了精度要求，从而降低了成本；大大降低了磨损，延长了泵的寿命，降低了机械磨擦能耗提高了机械效率；延长了电机止推盘寿命，提高了泵的可靠性；提高了泵的容积效率。

Claims (1)

1、一种带有双口密封环并开有平衡孔的离心泵叶轮，本实用新型的特征在于：自动平衡轴向力的离心泵叶轮是以滑动配合装在泵轴上的，叶轮上盖板上的出口密封环的内径φ₂是下盖板上的进口密封环内径φ₁的K倍(K是大于1的经验系数)，在叶轮上、下盖板止口端面上设计有上、下止推凸缘面，在上止推凸缘面上打有若干平衡孔，在导流壳与泵轴之间设置有一个嵌装在导流壳上的带有止推面的扶正瓦，平衡腔与叶轮腔是通过扶正瓦的止推面与叶轮止推凸缘面之间的间隙和平衡孔沟通的。

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