平衡孔泄漏量對離心泵軸向力的影響研究

陳微

【摘 要】由于離心泵葉輪本身特殊設(shè)計要求，在其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中會產(chǎn)生一定的軸向載荷，該載荷的存在，會在一定范圍內(nèi)對離心泵的運行帶來一定的安全隱患，長期運行會嚴重縮短離心泵的壽命，造成非必要的損失，嚴重的則會造成離心泵轉(zhuǎn)子部件損壞及人身傷害。單級離心泵主要是通過在葉輪上開不同數(shù)量平衡孔以降低軸向力，但是不同數(shù)量平衡孔會導(dǎo)致泵揚程的降低，合理地布置平衡孔有助于降低軸向力和較小地降低揚程。因此，對離心泵不同數(shù)量平衡孔的研究有助于降低軸向力，從而提高其安全性和經(jīng)濟性。

【關(guān)鍵詞】平衡孔;泄露;離心泵

1 試驗裝置

試驗裝置是由罐體、進出水管路、電動閥門、電機、電磁流量計、壓力傳感器等部分組成。試驗數(shù)據(jù)的采集包括：流量、進口壓力、出口壓力等。

為研究不同數(shù)量平衡孔對單級離心泵軸向力的變化規(guī)律，筆者加工了IS200-50-45標準單級離心泵。

葉輪為閉式葉輪，其包括輪轂、平衡孔、前蓋板等結(jié)構(gòu)。由于葉輪前后蓋板不平衡，流體通過時會在葉輪前后蓋板產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生軸向力;同樣，后蓋板受到壓力大于前蓋板的壓力，故產(chǎn)生后蓋板指向前蓋板的軸向力。

立式單級泵的軸向力測試原理是把泵運行時產(chǎn)生的軸向力，經(jīng)傳導(dǎo)裝置傳遞到推拉力傳感器中，推拉力傳感器將軸向力轉(zhuǎn)化為電信號，數(shù)顯式推拉力計接收電信號，并實時顯示軸向力的大小;同時，數(shù)顯式推拉力計可以將接收的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸?shù)诫娔X，再進行數(shù)據(jù)處理。

該軸向力測試裝置主要由：單級泵、支架、傳導(dǎo)裝置、推拉力傳感器等結(jié)構(gòu)組成。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 單級泵性能

筆者針對立式單級泵葉輪，在無平衡孔、3個Φ10平衡孔和5個Φ10平衡孔，共3種情況下分別進行性能測試;并分別在試驗臺記錄下各自的流量、揚程、效率等參數(shù)。

為了更好地說明立式單級泵葉輪在開不同數(shù)量平衡孔后對泵的性能產(chǎn)生的影響，筆者根據(jù)其各自的性能數(shù)據(jù)進行對比分析。

為了減少誤差，筆者分別對試驗單級泵在升降流量下各測試兩次，得到了開不同數(shù)量平衡孔條件下泵的性能。

從不同平衡孔條件下單級泵的效率曲線可以發(fā)現(xiàn)，無平衡孔時泵的效率較高;開3個平衡孔時泵的效率大于開5個平衡孔時泵的效率;

在不同流量條件下，開不同平衡孔時單級泵的揚程下降很小;雖然開平衡孔會給單級泵帶來一定的損耗，對其揚程的影響較小;

在設(shè)計點處與無平衡孔的情況進行比較可知：開3平衡孔時，單級泵的揚程下降0.4%，效率下降3%;開5平衡孔時，單級泵的揚程下降0.2%，效率下降4.4%;

單級泵的葉輪開平衡孔，會導(dǎo)致經(jīng)其平衡孔的泄漏流與進入葉輪的主液流相沖擊，破壞了單級泵正常的進口流動狀態(tài);同時，泄漏量會使單級泵的容積損失增加，揚程和效率降低，經(jīng)試驗研究后發(fā)現(xiàn)，其效率的變化量較大。

2.2 軸向力分析

筆者對立式單級泵葉輪的無平衡孔、開3個Φ10平衡孔和開5個Φ10平衡孔，共3種情況進行了多次軸向力測試，并對多次測試得到的數(shù)據(jù)進行了平均化處理，最后得到了立式單級泵軸向力測試的結(jié)果。

由圖4可知：

立式單級泵葉輪平衡孔的添加大大減少了泵的軸向力，增加了泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性;隨著流量的增加，在無平衡孔、3平衡孔、5平衡孔3種情況下，泵的全部軸向力先增加再減少，變化較小;

另外，與設(shè)計點無平衡孔時泵的軸向力進行對比可以發(fā)現(xiàn)：開3個平衡孔時，泵的軸向力下降60%;開5個平衡孔時，泵的軸向力下降69%，效果較為明顯;

泵的平衡軸向力大小程度取決于其密封環(huán)的直徑、密封環(huán)間隙，平衡孔位置、平衡孔直徑等因素。由于泵的平衡孔的存在，葉輪后壓力腔把一部分壓力分給了進口，從而降低了葉輪平衡腔壓力，減小了泵的軸向力;同時，隨著單級泵葉輪的平衡孔數(shù)量增加（泄漏量的增加），進一步減小了其平衡腔的壓力，從而進一步減小了泵的軸向力，增強了單級泵的運行可靠性。

3 軸向力理論分析

葉輪軸向力的產(chǎn)生，主要是由于泵體前后蓋板的不對稱，導(dǎo)致液體壓力分布均勻，產(chǎn)生了指向葉輪進口的軸向力。

目前，國內(nèi)外對軸向力的計算已經(jīng)有了一定的研究。但是，對于具體選用哪個公式進行分析，目前還缺乏相應(yīng)的理論支持。

筆者在對單級泵開平衡孔后葉輪軸向力的分析前，先要對后泵腔提出一定假設(shè)，在此基礎(chǔ)之上再對其軸向力進行理論分析。

此次試驗采用的葉輪為前后密封環(huán)直徑相同，故產(chǎn)生的軸向力主要為平衡腔內(nèi)壓力的下降對葉輪產(chǎn)生的力。

假設(shè)在葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，泵腔內(nèi)無泄漏，液體以角速度的0.5倍旋轉(zhuǎn)，則葉輪后蓋板處壓力的徑向方向分布p3為：

式中：p1—葉輪進口壓力，Pa;p2—葉輪出口壓力，Pa;Hp—勢揚程，m;ω—葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/min;r—泵平衡腔任意半徑，m。

式（2）中為沒開平衡孔的狀態(tài)下，平衡腔中徑向方向的壓力。

在密封環(huán)和平衡孔存在的情況下，其密封間隙和平衡孔引起的泄漏量會使后泵腔的壓力下降。由于泄漏量產(chǎn)生壓力的損失系數(shù)k、泵后平衡腔p、蓋板力FG分別為：

式中：Rh—輪轂半徑，m;R—后口環(huán)半徑，m。

除了上述分析的液體壓力對葉輪產(chǎn)生的蓋板力，還有流體通過葉輪產(chǎn)生的動反力FQ，其方向指向葉輪后蓋板，其大小為：

整個葉輪所產(chǎn)生的軸向力F為：

為了驗證該理論公式的可靠性，筆者在設(shè)計工況點試驗與理論公式測得的軸向力進行了比較分析，分析的具體結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出：軸向力的試驗計算值大于理論計算值，這是由于開平衡孔會使進口來流紊亂，同時葉片進口具有一定壓力，導(dǎo)致測量值較小，而往往計算時是不考慮葉片的進口壓力的;

在假設(shè)的情況下，理論計算不考慮流態(tài)的作用，以及后泵腔旋轉(zhuǎn)角速度較小，導(dǎo)致了理論計算值比較大，數(shù)值較保守。因此，該理論公式具有一定的局限性。

4 結(jié)束語

為了研究不同泄漏量對單級離心泵葉輪在性能和軸向力方面的影響，本文采用試驗與理論相結(jié)合的方式，對不同平衡孔下離心泵性能和軸向力的變化規(guī)律進行了研究。研究結(jié)果表明：

（1）葉輪開平衡孔后，由于泄漏量的增加，離心泵的揚程和效率降低;

（2）試驗測量發(fā)現(xiàn)，開平衡孔大大減少離心泵軸向力;

（3）理論與試驗測量可知，該軸向力計算公式可以計算開平衡孔后軸向力，但有一定的局限性。

本文主要說明不同葉輪平衡孔下離心泵性能和軸向力的變化，而沒有定量分析泄漏量變化對其的影響。因此，在后續(xù)的研究過程中需要定量分析泄漏量對性能和軸向力的影響。

（作者單位：國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司）