平衡孔泄漏量對離心泵軸向力的影響研究*

丁 寧，董國朝

(1.湖南財經工業職業技術學院 機電工程系，湖南 衡陽 421001；2.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114)

0 引 言

目前，離心泵已廣泛應用于國民經濟各個部門以及航空航天等尖端領域，是一種重要的能量轉換和流體輸送裝置[1]。

由于離心泵葉輪本身特殊設計要求，在其轉子系統中會產生一定的軸向載荷，該載荷的存在，會在一定范圍內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子部件損壞及人身傷害[2,3]。

單級離心泵主要是通過在葉輪上開不同數量平衡孔以降低軸向力，但是不同數量平衡孔會導致泵揚程的降低，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濟性。

目前，對于葉輪平衡孔的研究較少，其設計方法多是采用研究人員的工作經驗，沒有一定的理論支撐[4]572-578。在單級泵設計過程中，開平衡孔是降低軸向力的有效方法之一，其方法優點在于結構簡單、加工容易、安裝方便[5-7]，而平衡孔中心位置和過流面積不僅可以降低軸向力，同時也影響著單級泵的性能[8-13]。部分研究表明，用葉輪泄漏量的分析對平衡孔進行研究，通過泄漏量壓力的變化，得出后泵腔軸向力的變化[14-16]。國內外專家利用數值模擬的方法對有平衡孔葉輪模擬結果和實測結果進行預測，在允許范圍內基本吻合[17,18]。其數值計算對流體流動現象進行求解，但數值計算方法存在一定的局限性，僅是一種近似解法。研究流體問題時，理論分析和試驗測量是必不可少的兩部分。

本文搭建試驗平臺，根據葉輪開不同平衡孔數量分別進行試驗，獲取該試驗下泵性能和軸向力，研究不同數量的平衡孔對離心泵性能以及其轉子系統軸向力的影響規律。

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。試驗數據的采集包括：流量、進口壓力、出口壓力等。

為研究不同數量平衡孔對單級離心泵軸向力的變化規律，筆者加工了IS200-50-45標準單級離心泵，其基本設計參數如表1所示。

表1 單級離心泵基本設計參數

不同平衡孔數量的葉輪如圖1所示。

圖1 試驗葉輪

圖1中，葉輪為閉式葉輪，其包括輪轂、平衡孔、前蓋板等結構。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生壓力差，從而產生軸向力；同樣，后蓋板受到壓力大于前蓋板的壓力，故產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生的軸向力，經傳導裝置傳遞到推拉力傳感器中，推拉力傳感器將軸向力轉化為電信號，數顯式推拉力計接收電信號，并實時顯示軸向力的大小；同時，數顯式推拉力計可以將接收的電信號轉化為數字信號，傳輸到電腦，再進行數據處理。

該軸向力測試裝置主要由：單級泵、支架、傳導裝置、推拉力傳感器等結構組成。

立式單級泵的軸向力測試裝置如圖2所示。

圖2 立式泵軸向力測試裝置1-立式單級泵；2-傳導裝置；3-固定螺母；4-調節螺母；5-測量桿；6-推拉力傳感器；7-支架

2 實驗與結果分析

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。

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

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，得到了開不同數量平衡孔條件下泵的性能，如圖3所示(該試驗泵設計流量150 m3/h、揚程50 m)。

圖3 不同平衡孔性能

由圖3可知：

隨著流量的不斷增加，立式單級泵的揚程下降，效率逐漸上升，在大于設計點流量后，趨于平穩；通過性能分析還可以發現，該型號單吸泵具有較寬的高效區；

從不同平衡孔條件下單級泵的效率曲線可以發現，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，會導致經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；同時，泄漏量會使單級泵的容積損失增加，揚程和效率降低，經試驗研究后發現，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據進行了平均化處理，最后得到了立式單級泵軸向力測試的結果，如圖4所示。

圖4 不同平衡孔軸向力分析

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，增加了泵系統的穩定性；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，與設計點無平衡孔時泵的軸向力進行對比可以發現：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的直徑、密封環間隙，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

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

目前，國內外對軸向力的計算已經有了一定的研究。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[19]，在此基礎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直徑相同，故產生的軸向力主要為平衡腔內壓力的下降對葉輪產生的力。

假設在葉輪旋轉過程中，泵腔內無泄漏，液體以角速度的0.5倍旋轉[4]564-568，則葉輪后蓋板處壓力的徑向方向分布p3為：

p2=p1+HPρg

(1)

(2)

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下，平衡腔中徑向方向的壓力。

在密封環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。根據文獻[20]得知，由于泄漏量產生壓力的損失系數k、泵后平衡腔p、蓋板力FG分別為：

(3)

(4)

(5)

式中：Rh—輪轂半徑，m;R—后口環半徑，m。

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

FQ=ρQt(v1-v2cosθ)

(6)

整個葉輪所產生的軸向力F為：

F=FG-FQ

(7)

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

表2 軸向力誤差分析

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；

在假設的情況下，理論計算不考慮流態的作用，以及后泵腔旋轉角速度較小，導致了理論計算值比較大，數值較保守。因此，該理論公式具有一定的局限性。

4 結束語

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合的方式，對不同平衡孔下離心泵性能和軸向力的變化規律進行了研究。研究結果表明：

(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)試驗測量發現，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。