高扬程超深井潜水泵的轴向力平衡

图6
6 、结束语
目前,我国面临电能不足的问题,高效节 能成为现代工业生产中的重要标准,多种智 能控制系统在工厂的应用使得能源得到大 幅度节约,本文所设计的智能变压器自动投 切系统正好适应我国工厂的节能需求。
本课题所设计的变压器自动投切系统 具有可靠性高,稳定性好,能够使变压器经济 合理运行,系统所选用的 80C51 芯片以及在 电路设计里面使用的各种电气器件在工艺 上已经相当成熟，技术上也日趋完善。它全 新高效的节能理念使得在理论分析计算上 节电效果显著。本课题的研究状况目前还 处在理论研究方面，变压器自动投切系统 在我国的大多数工厂里面还没有得到普遍 应用，其原因是系统的使用需要资金的投 入以及投资回收期的问题，但在不久的将 来智能变压器自动投切系统取代手动操作 这是一个必然的趋势，随着技术的更新，科 技的发展，变压器自动投切系统必将在我 国得到广泛使用。
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3 、结束语
为减少变压器喷油事故的发生，建议 采取以下措施：①加强巡视，注意观察油 温、油位随负载和环境温度的变化情况，发 现异常应及时通知检修人员做相应的处理。 ②每年5月下旬飘絮结束后，应立即安排对 强油风冷变压器进行冷却器清理。③加强 对变压器冷却系统的维护，确保冷却器运 转良好。避免变压器超过允许的温升。④加 强对变压器呼吸系统维护，确保变压器呼 吸系统通畅。⑤变压器储油柜容积设计应 合理，避免出现冬季见不到油位，夏季油位 涨满的情况。
z
z
280 时，K ＝ 0.8；I ——叶轮级数。
（9 ）
的压力为高压，因此，平衡室前后有很大的 压力差别，形成一个向后的推力，这个推力 将与作用在转子上总的轴向力相平衡，平 衡机构在设计工况平衡轴向力效果好，在 其它工况下轴向力不能完全平衡。剩余的 轴向力由止推轴承和推力轴承来平衡。
推力盘前后压差△ p 可近似取为: (10)
摘要 高扬程超深井潜水泵工作时，转子上作用的 轴向力很大，水泵轴将轴向力传向电动机轴， 将造成电动机转子的重负，影响电泵机组的 正常运行。为此针对高扬程超深井潜水泵的 结构，根据轴向力产生的因素，采用止推轴承 室装置平衡轴向力，并通过分析计算，验证了 轴向力是平衡的。 关键词 叶轮；轴向力；机械密封；推力盘 Abstract Ｗｈｅｎ Ｈｉｇｈ－ｌｉｆｔ ｕｌｔｒａ－ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅ ｐｕｍｐ ａｔ ｗｏｒｋ，Ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ， Ｗａｔｅｒ ｐｕｍｐ ｓｈａｆｔ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｍｏｔｏｒ ｓｈａｆｔ， Ｉｔ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｌｏａｄ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒ， Ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｍｐ ｕｎｉｔ，ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｒｅａｓｏｎ， ｈｉｇｈ－ｌｉｆｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｕｌｔｒａ－ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅ ｐｕｍｐ，Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ， Ｒｏｏｍ ｕｎｉｔ ｗｉｔｈ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｂａｌａｎｃｅ， Ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ， Ｖｅｒｉｆｉｄ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｂａｌａｎｃｅ． Key words ｉｍｐｅｌｌｅｒ； ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ； ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ； ｔｈｒｕｓｔ ｐｌａｔｅ
的因素很多，叶片工作面压力与叶片背面 的压力分配不对称可引起轴向力；在叶轮 流道内的同一直径上，流体在前后盖板处 的压力分配不对称可引起轴向力。目前由 于这两种轴向力没有合适的方法计算，故 暂不考虑。下面就产生轴向力的主要因素 进行分析。
2.1 运转时转子上作用的轴向力 该轴向力主要是由叶轮外表面压力分 布不对称所产生的，假定理想状态下，离 心泵在正常运行时的泄露为零，在这种情 况下从叶轮外径到密封环内径之间液体作 用在叶轮两侧的压力，大小相等，方向相 反，所以相互抵消。图 2 所示为叶轮外表面 产生轴向力的示意图，单级轴向力 F1 为：
4.1 根据转数比取轴向力实验系数 根据公式（9 ）得潜水泵的转速比 为：
3、高扬程超深井潜水泵轴向力的
平衡
平衡装置原理如图 1 所示，它是通过 止推轴承和推力轴承平衡孔将力传到推力 盘来平衡轴向力的，推力盘的右面锁紧，平 衡室通过平衡管与低压室相通，平衡室的 液体压力近似等于吸入室的压力，推力盘 左侧则为每段最后一级叶轮的后腔，液体
总之，要确保变压器等主要变电设备 安全运行，不但要加强检修人员的技术培 训，还要建立一整套完善的管理制度，并 且要合理安排检修时间，确保电网安全稳 定运行。
（1 ） 式中 F1 ——轴向力；Hp ——单级叶 轮的势扬程( m )；R ——叶轮出口半径
2
（m）；Rmi ——叶轮密封环半径（m）；rh ——轮毂半径（m ）；γ——液体重度
（ k g / m 3 ）； ω — — 叶 轮 旋 转 角 速 度 （ r a d / s ）； g — — 重 力 加 速 度 （ m /
1
由 F1 ≈ P1，可见第一段泵轴的轴向 力是平衡的。
4.2 第二段泵轴的轴向力及平衡 第二段泵轴的扬程达到 400 米, 由 10 到 18 级叶轮组成，18 级叶轮工作时产生的 轴向力 F 为：
2
第二段泵轴的平衡力 P2 为：
推力盘液体接触面积 A2=A1 ＝ 2.852 × 10-3 m2
P = △ P × A ＝ 391.2 × 103 × 2.852
High-lift ultra-deep well submersible pump axial force balance Jiang Yongmei1 Yu Feng2
１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈａｒｂｉｎ １５００８０； ２． Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｊｉａｍｕｓｉ １５４００７
由于 n 接近 100，故取 K=0.6。 z
4.2 第一段泵轴的轴向力及平衡
第一段泵轴的扬程为 200 米, 由 1 到 9
级叶轮组成，9 级叶轮工作时产生的轴向
力可采用经验公式（8）来计算，以 F1 表示， 则
由于我们采用止推轴承和推力轴承来 平衡剩余的轴向力，因此，第一段泵轴的平 衡力 P 根据公式（10）、（12）计算为：
(5)
式中 F ——反作用力（k g ）；Q —
2
t
—流经叶轮的流量（m 3 / s ）；ν m0 ——
液体进入叶轮叶片前的轴面速度（m /
s）；ν m2 ——液体流出叶轮后的轴面速度
（m / s ）；
λ ——轴面速度ν 与叶轮
2
m2
轴线间的夹角。
高扬程超深井潜水泵总的轴向力 F 为：
单级 F=F1-F2
潜水泵设计和运行的难题，通过大量的计 算与实践，提出止推轴承室的装置，以平衡 水泵的轴向力。
1、高扬程超深井潜水泵的结构
高扬程超深井潜水泵是井用离心式潜 水泵，它与电动机联接配套使用。高扬程超 深井潜水泵的结构紧凑，电泵的最大外径 不超过 250mm，由三段泵轴组成，每段泵 轴安装九级叶轮，单级叶轮扬程为22米，共 二十七级叶轮，总扬程为 600 米，泵轴之间 用联轴器连接。每段泵轴的末级叶轮后安 装一个止推轴承室装置，止推轴承室装置 可平衡这段叶轮产生的向上轴向力。图1所 示为轴向力平衡装置的装配图，图中所示 的是第一段泵轴的末级叶轮及止推轴承室 的装置，水泵是由叶轮、导叶、泵壳、泵轴 及止推轴承室等组成，叶轮和水泵轴采用 键连接，防止松动，叶轮轴向用轴套定位锁 紧。导叶和机壳形成的压水室，结构简单紧 凑，缩短了泵的长度。止推轴承室又由止推 轴承、机械密封、推力轴承、推力盘、止推 轴承壳体、轴向锁紧机构等组成，止推轴承 室和泵壳联接，机械密封安装在泵轴上，防 止水的轴向泄漏，提高效率。
(6)
多级
(7)
上述是通过分析，确定泵的轴向力，一
般情况可以粗略地估算总的轴叶轮的扬程 1
（m）；K ——轴向力实验系数，与转速比 n z
有关，当 nz ＝ 30～100 时，K ＝ 0.6；当
n ＝ 120～220 时，K ＝ 0.7；当 n ＝ 240～
（3 ）
D0 ——估算泵水力效率时用的叶轮进 口有效直径，一律按下式计算。
（4 ）
式中 n ——转速（r / m i n ）；Q — —流量（m）。
2.2 由液体的反冲力所引起的轴向力 在多级离心泵中，液体通常由轴向流 入叶轮，由径向流出，液体方向的变化是 由于液体受到叶轮的作用力，因此液体也 给叶轮一个大小相等方向相反的反作用 力，反作用力 F 2 为：
2
2
2
× 10-3 ＝ 1115.70 kg
由 F2 ≈ P2，可见第二段泵轴的轴向 力是平衡的。
4.3 第三段泵轴的轴向力及平衡
第三段泵轴的扬程达到 600 米, 由 19
到 27 级叶轮组成，27 级叶轮工作时产生的
轴向力 F 为： 3
第三段泵轴的平衡力 P3 为： ＝[600 －(1 － 0.
式中 H ——泵的总扬程。 推力轴承的尺寸由下式确定：
式中 p ——作用于泵转子上的总轴 向力(kg)；Db ——推力轴承凹槽外径(m)； d ——推力轴承凹槽内径(m)；A ——推力
k
盘液体接触面积(m2)；B ——推力轴承凹 槽间的间距(m)；n ——推力轴承凹槽的个 数。
推力轴承的结构如图 3 所示。