离心泵叶轮轴向力自动平衡新方法
离心泵轴向力计算式应用与平衡
离心泵轴向力计算式应用与平衡作者：于锡平来源：《科学与财富》2014年第02期摘要：离心泵在工作过程中，可靠运行的一个重要方面就是平衡部件（平衡盘或平衡鼓）和推力轴承的设计，一般在多级离心泵的叶轮上不考虑平衡轴向力的结构，因此，泵轴向力计算的准确程度影响到平衡部件、推力轴承的设计和使用寿命，本文经多年的设计实践，提出较理想的轴向力计算式，基本在设计卧式多级泵或立式多级泵的平衡盘或平衡鼓的部件时没有失误，可以借鉴。
关键词：离心泵；轴向力；计算式应用；平衡1. 轴向力产生的原因由于叶轮前后盖板因液体压力分布情况不同引起很大的轴向力，叶轮后盖板所受压强大于前盖板所受的压强，形成的压力差，方向自叶轮背面指向叶轮入口，这个力是泵轴向力的主要组成部分。
泵在正常运行时，叶轮吸入口的压力P1，叶轮背面的压力为P2，且P2>P1，因此沿着泵的轴向方向就会产生一个推力。
液体流经叶轮后，由于流动方向变化所产生的动压力F2，在多级离心泵中，流体通常由轴向流入叶轮，由径向流出，流动方向的变化是由于流体受到叶轮的作用力，因此流体也给叶轮一个大小相等、方向相反的反作用力。
扭曲叶片工作面和背面压力不同产生的轴向力。
对于立式泵，转子的重量也是轴向力的组成部分。
其它因素产生的轴向力。
2. 轴向力计算式探讨假定叶轮两侧间隙液体压力分布规律相同，则有轴向力F1=π/4（D21-dh2）ρg[HP-U22/8zg{1-（D21-d2h）/2D22}]，实际上，由于存在泄漏，轮盖两侧会有液体从外径处经轮盖密封流向吸入口，轮盘测则由于级间泄漏，有液体自高压级漏失到低压级，从叶轮内径处流向外经处，在轮盖测，液体做向心的径向流动，所以压力要减小，而在轮盘测，液体作离心的径向流动，所以，压力要增大，这样一来，轴向力F1的实际值比上式要大一些，所以，一般使用经验公式F1=（π/4）（D21-d2h）ρgkHi，其中，k为实验系数，与比转数有关，当nS=60-150时，k=0.6；当nS=150-250时，k=0.8；i为叶轮级数。
离心泵平衡孔平衡轴向力方法的研究与探讨
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ａｘ ｉ ａ ｌ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ｂａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ Ｃｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ Ｐ ｕ ｍｐ ｂ ｙ ｈｅ ｔ Ｂａ ｌａ ｎ ｃ ｅ Ｈｏ ｌ ｅ
近 叶轮 轮 毂等 设 计 方 法措 施 。
［ 关键词 ］离心泵 ； 轴 向力； 平衡 孔； 数值模拟 ； 试验研 究 ［ 中图分类号］￥ ２ ７ ７ ． ９ ； Ｔ Ｈ ３ １ １ ［ 文献标 志码 ］ Ａ ［ 文章编号 ］１ ６ ７ ３ — ３ １ ４ ２ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ０ ３ ９ — ０ ５
２ ． Ｄ ａ ｎ ａ ｉ Ｐ ｕ ｍｐ ｓ Ｃｏ ． ，Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｄａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｃ ｉ ｔ ｙ ，Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ １ １ ６ ６ ３ ０，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
３ ． Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｃ ｉ ｔ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ３ １ ０ ０ １ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｃａ ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｘｉ ａ ｏ ｆ ｅ ｎ ｇ ，Ｗ ａ ｎ ｇ Ｙａ ｎ ｇ ，Ｌ ｉ ｕ Ｆ ｅ ｉ ， Ｗａ ｎ ｇ Ｒｏ ｎ ｇ ３
离心泵叶轮轴向力及其平衡计算程序
离心泵基础知识
安全管理/行业安全离心泵基础知识一.离心泵的工作原理驱动机通过泵轴带动叶轮旋转产生离心力,在离心力作用下,液体沿叶片流道被甩向叶轮出口,液体经蜗壳收集送入排出管。
液体从叶轮获得能量,•使压力能和速度能均增加,并依靠此能量将液体输送到工作地点。
在液体被甩向叶轮出口的同时,叶轮入口中心处形成了低压,•在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差,吸液罐中的液体在这个压差作用下,不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。
二、离心泵的结构及主要零部件一台离心泵主要由泵体、叶轮、密封环、旋转轴、轴封箱等部件组成,有些离心泵还装有导轮、诱导轮、平衡盘等。
1.泵体:即泵的壳体,包括吸入室和压液室。
①吸入室:它的作用是使液体均匀地流进叶轮。
②压液室:它的作用是收集液体,并把它送入下级叶轮或导向排出管,与此同时降低液体的速度,使动能进一步变成压力能。
•压液室有蜗壳和导叶两种形式。
2．叶轮:它是离心泵内传递能量给液体的唯一元件,叶轮用键固定于轴上，随轴由原动机带动旋转,通过叶片把原动机的能量传给液体。
叶轮分类:①按照液体流入分类：单吸叶轮（在叶轮的一侧有一个入口）和双吸叶轮（液体从叶轮的两侧对称地流到叶轮流道中）。
②按照液体相对于旋转轴线的流动方向分类：径流式叶轮、轴流式叶轮和混流式叶轮。
③按照叶轮的结构形式分类:闭式叶轮、开式叶轮和半开式叶轮。
3．轴:是传递机械能的重要零件,•原动机的扭矩通过它传给叶轮。
泵轴是泵转子的主要零件，轴上装有叶轮、轴套、平衡盘等零件。
泵轴靠两端轴承支承，在泵中作高速回转，因而泵轴要承载能力大、耐磨、耐腐蚀。
泵轴的材料一般选用碳素钢或合金钢并经调质处理。
4.密封环:是安装在转动的叶轮和静止的泵壳（中段和导叶的组合件）之间的密封装置。
其作用是通过控制二者之间间隙的方法，增加泵内高低压腔之间液体流动的阻力，减少泄漏。
5.轴套轴套是用来保护泵轴的，使之不受腐蚀和磨损。
必要时，轴套可以更换。
6.轴封泵轴和前后端盖间的填料函装置简称为轴封，主要防止泵中的液体泄漏和空气进入泵中，以达到密封和防止进气引起泵气蚀的目的。
离心泵轴向窜动的原因及控制方法
离心泵轴向窜动的原因及控制方法摘要：离心泵是利用离心力来输送液体的设备，在国民经济的各个部门以及人们生活中都有广泛的应用。
但在离心泵的使用中会不可避免地产生或大或小的轴向力，严重地影响着离心泵的使用寿命，因此对离心泵轴向力进行精确计算并想办法加以平衡，对于提高离心泵的效率和延长其使用寿命具有相当重要的意义。
本文简述了多级离心泵的基本结构，介绍多级离心泵的轴向窜动的原因，以及控制轴向窜动的集中常见的方法，并且提出了新的控制方法。
关键字：离心泵轴向力控制方法1 引言离心泵运转时，其转动部分受到一个与轴心线相平行的轴向力。
这个力相当大，特别是当级数很多时，更是如此。
单吸两级以上高压离心泵表现出来的轴向力，严重影响离心泵的正常工作，严重影响电动机的使用寿命，在轴向力的作用下，平衡盘与平衡环接触摩擦，当磨损至一定程度后，主轴工作叶轮向进水口方向移动，至使工作叶轮与机壳摩擦电动机负载加大，流量扬程下降。
若不更换平衡盘与平衡环则出现电动机烧毁的现象。
2 离心泵轴向力的产生原因离心泵的轴向力主要包括下列两个部分：（1）叶轮前后两侧因液体压力分布情况不同（轮盖测压力低，轮盘侧压力高）引起的轴向力G1，其方向为子叶轮背后面指向入口。
（2）液体流入和流出叶轮的方向和速度不同而产生的动反力G2，其方向与G1相反。
此外，对入口压力较高的悬臂式担心泵，还需要考虑作用在轴端上的入口压力引起的轴向力，其方向与G1相反。
对于立式离心泵，其转动部分重量也是轴向力。
2.1 叶轮前后两侧压引起的轴向力G1图1 叶轮前后两侧液体压力分布由图1中可以看出，叶轮前后两侧液体压力分布的示意图，由于林心里的作用，叶轮和壳体间的间隙内，液体压力沿径向成抛物线分布。
在图1中的右图夅，可以看到，叶轮的上部分压力大小相同，方向相反，正好压力抵消。
而叶轮下端压力不同，分别为P1，P2，且P1﹤P2，方向相反，则产生一个指向入口的力，这个力就是轴向力。
当泵的级数增加时，这个力也会相应的增加。
离心泵新型轴向力平衡装置动态轴向力计算及设计方法
离心泵新型轴向力平衡装置动态轴向力计算及设计方法刘在伦;杨建霞;吴新瑞;邵安灿【摘要】In the case of impeller axial clearance being from 0.1 mm to 1.0 mm,the liquid pressure distribution in it,leakage,and axial thrust on the ring are calculated and analyzed by means of increasing the outer radius of both the moving and still rings and keeping that of inner radius constant.The result show that the liquid pressure in axial clearance will radially increase gradually and its dependence curve on radius will be an oblique straight line;both the ratio of outer radius to inner radius of moving and still ring and the size of axial clearance will have an obvious effect on its slope.When that ratio is constant the leakage coefficient will rapidly increase with the increase of the gap-to-diameter ratio at first and then tend to be flat while the axial thurst coefficient will sharply decrease at first and then tend to be flat.In terms of reduction of liquid leakage with axial thrust control,it is proposed that the gap-to-diameter ratio of the transition zone can be taken as a theoretical basis of design of axial clearance of centrifugal pump.The liquid pressure in balance cavity without balancing device is tested,and the effect of the balancing device for reducing axial thrust is analyzed comparatively.%采用动静环内半径不变加大其外半径的方法,对轴向间隙为0.1～1.0 mm时其内的液体压力分布、泄漏量、动环上轴向力进行了数值计算及分析.结果表明:轴向间隙液体压力沿半径方向逐渐增大,其关系曲线是斜直线,但动静环外半径与内半径比值和轴向间隙大小对其斜率有明显影响;在相同的动静环的外半径与内半径的比值时,隙径比增大,泄漏量系数具有先急剧增大然后趋于平坦的变化规律,而轴向力系数具有先急剧减少然后趋于平坦的变化规律.从控制轴向力减少液体泄漏量的角度,提出了过渡区隙径比可作为轴向间隙设计的理论依据.对平衡腔内不安装平衡装置时平衡腔液体压力进行了测试,对比分析了平衡装置减少轴向力的效果.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2018(044)002【总页数】5页(P54-58)【关键词】离心泵;轴向力;平衡装置;泄漏量系数;轴向力系数【作者】刘在伦;杨建霞;吴新瑞;邵安灿【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州 325105;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;普仑斯(福建)泵业有限公司,福建松溪 353500;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州325105【正文语种】中文【中图分类】TH311在离心泵中,特别是叶轮同向排列的多级离心泵,轴向力是研究离心泵的重要课题之一.传统轴向力平衡方法是:单级离心泵采用开平衡孔双密封环叶轮,或在叶轮后盖板增设背叶片；多级离心泵一般采用平衡盘、平衡鼓以及平衡鼓与平衡盘联合机构.近年国内专家学者提出了一些新的平衡轴向力方法以满足不同的结构和使用需要[1-3].早在20世纪90年代,关醒凡等[4]提出了一种新型轴向力平衡装置,突破了轴向力平衡装置的传统结构.指出该平衡装置的原理适合于所有多级泵(包括深井潜水泵),在扬程300 m以下的多级泵上使用,证明节能效果显著.刘在伦等[5]对这种轴向力平衡装置进行了改进,并应用于流量为720 m3/h、扬程为50 m的大型2级潜水泵上,工程实践验证了该平衡装置的可靠性.但因这种平衡装置的结构设计及轴向力计算的基础理论不够完善,而用实验手段获得最佳结构参数又将耗费大量精力,工程应用仍处在进退两难的境地.因此,采用数值计算方法研究这种平衡装置的动态特征并提出其结构设计原则显得格外必要.本文采用改变动静环外半径和轴向间隙的方法,研究新型轴向力平衡装置轴向间隙液体的压力分布、泄漏量和动环上轴向力的变化规律,为新型平衡装置的结构设计及轴向力计算提供理论依据.1 平衡轴向力装置结构特点及工作原理图1为离心泵新型轴向力平衡装置结构及原理图.图中p1为叶轮进口液体压力，p2为后密封环进口液体压力，p3为后密封环出口液体压力，p4为平衡腔液体压力，b1为径向间隙，b2为轴向间隙，r1为动静环内半径，r3为动静环外半径，rm为后密封环半径，r2为叶轮外半径.该平衡装置是由与叶轮同步旋转不锈钢盘(动环)和装在泵盖上的石墨盘(静环)构成的，其中石墨盘在泵盖内能轴向移动但不旋转，平衡装置安装在多级离心泵末级叶轮平衡腔内.动静环进口是高压液体，而其出口液体与首级叶轮进口相通或者引入外界与大气相通.后密封环径向间隙和动静环轴向间隙构成了间隙流道.当水泵工作时，在压差Δp=p2-p4作用下，间隙流道形成了一定的液体泄漏量，改变了平衡腔区域叶轮后盖板的侧压力分布，达到了平衡轴向力的目的.图1 平衡轴向力装置结构简图Fig.1 Schematic diagram of axial thrust balancing device2 数值计算本文是在离心泵平衡腔内安装不同外半径动静环，其内半径r1=35 mm，外半径r3为45.0、52.5、57.5、62.5 mm.后密封环的长度L=18 mm，径向间隙b1=0.2 mm.离心泵设计参数：流量qV=25 m3/h，扬程H=32 m，转速n=1 450 r/min，效率η=52%.叶轮外半径r2=158 mm.2.1 计算模型与网格划分应用Pro/E三维建模软件对泵全流道几何建模，保持叶轮和泵体其他结构尺寸不变，动静环外半径r3为45.0、52.5、57.5、62.5 mm条件下，分别对轴向间隙b2为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm建立计算模型，如图2所示.图2 计算模型Fig.2 Calculation model采用ICEM-CFD软件对整体离心泵模型采用混合网格方式进行网格划分[6],各计算域网格划分单元数及类型见表1.全部网格单元总数为1.61×106，所有网格扭曲率均小于0.86，所有网格质量均大于0.35，其后泵腔、径向间隙和轴向间隙网格如图3所示.由于模型仅是动静环外半径和轴向间隙的改变，对整体网格划分影响变化较小，因此采用的网格划分方式相同，网格划分单元总数也基本相等.表1 网格划分Tab.1 Mesh division计算域名称网格类型网格数前泵腔结构网格1．84×105前密封环间隙结构网格2．67×104叶轮非结构网格5．63×105蜗壳非结构网格3．16×105后泵腔结构网格1．63×105径向间隙结构网格2．72×104轴向间隙结构网格4．26×104进口结构网格2．76×105图3 后泵腔、径向间隙和轴向间隙网格Fig.3 Mesh of back pump chamber, radial clearance, and axial clearance2.2 数值模拟由于离心泵的工作介质为水，泵体内的流动可视为不可压缩定常湍流流动，采用标准k-ε湍流模型[7].压力与速度的耦合采用SIMPLE算法，差分格式选取为：压力亚松弛项采用标准格式，动量亚松弛项、湍动能亚松弛项、湍动能耗散率均为二阶迎风格式离散差分方程[8].根据计算模型的特点，边界条件设置为：泵进口设为无旋流动的速度进口，出口设为自由出流形式，所有壁面均采用无滑移固壁条件，近壁面湍流流动采用标准壁面函数法处理.因为离心泵的计算区域内存在旋转部分(如叶轮)和静止部分(如蜗壳)，所以离心泵内部流场的数值计算中存在动静耦合的问题，不能采用单一参考系[9].本文在对离心泵内部流场数值模拟时选用多重参考系模型作为流场的动静耦合模型，设置收敛精度为10-4，在FLUENT中进行数值模拟计算.3 结果及分析3.1 泵性能验证为验证数值模拟的可靠性，对平衡腔内不安装平衡装置时泵性能进行了测试，测试结果如图4所示.本文仅给出了动静环外半径r3=57.5 mm，平衡孔直径d=6 mm，轴向间隙b2为0.1、0.4、1.0 mm时泵性能模拟曲线，如图4所示.图4 泵性能曲线Fig.4 Performance curves of pump由图4可知，泵在0.8qV～1.2qV工作区域，泵的扬程和效率数值模拟结果与试验测试结果基本吻合.在设计流量下扬程和效率的模拟值均高于试验测试值，其中轴向间隙为0.1 mm时的误差最大，最大相对误差分别为3.84%、3.01%.试验结果表明:在动静环外半径一定时，轴向间隙的变化对泵性能影响不大.因此，图4证明了本文所采用的数值计算方法完全可行，能够满足本文的研究需要.3.2 轴向间隙液体静压分布为了研究轴向间隙对其内液体压力分布的影响，本文在动静环外半径为57.5 mm条件下，在设计工况下选取了轴向间隙中间截面的液体静压分布云图，如图5所示.从图5可以看出，在相同轴向间隙下,轴向间隙液体压力由内径至外径沿径向逐渐增大，外径处达到最大值，内径处压力最小.图5 轴向间隙液体的静压分布云图(kPa)Fig.5 Nephogram of distribution ofliquid static pressure within axial clearance(kPa)图6为轴向间隙液体压力与半径的变化曲线.从图6可以看出，轴向间隙液体压力随着半径的增大而增大，其关系曲线是一些斜直线.在相同轴向间隙下，动静环外半径增大，轴向间隙液体压力增大.3.3 隙径比对轴向间隙液体泄漏量及轴向力的影响为了分析与计算相似平衡装置动态性能，参照文献[10,11]引入旋转雷诺数Reω、泄漏量系数Cq、轴向力系数CF和隙径比G等无量纲参数，其定义为式中：Reω为旋转雷诺数,ω=2πn/60,ω为叶轮旋转角速度，rad/s；r3为动静环外半径，m；ν为水在常温下的运动黏性，m2/s；Cq为泄漏量系数；qV,x为轴向间隙液体泄漏量，m3/s；CF为轴向力系数；F为不锈钢盘上轴向力，N；ρ为水在常温下的密度，kg/ m3；H为水泵扬程，m；r1为动静环内半径，m；G为隙径比；b2为轴向间隙，m.图6 轴向间隙液体压力的分布曲线Fig.6 Distribution curves of liquid pressure within axial clearance根据数值模拟计算的结果，可绘制出设计工况下液体泄漏量系数和轴向力系数与隙径比的关系曲线，如图7和图8所示.由图7和图8可看出，在相同动静环外半径下，隙径比增大，泄漏量系数具有先急剧增大然后趋于平坦的变化规律，而轴向力系数具有先急剧减少然后趋于平坦的变化规律.根据泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线的特征，将其划分为敏感区、过渡区和不敏感区.敏感区的泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线陡峭，其斜率很大，隙径比会引起泄漏量系数和轴向力系数急剧变化.不敏感区的泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线几乎与横坐标平行，即隙径比变化对泄漏量系数和轴向力系数几乎无影响.在敏感区和不敏感区的区域称为过渡区.由图7和图8可确定出敏感区、过渡区和不敏感区的隙径比和轴向间隙的变化范围，见表2.图7 泄漏量系数与隙径比的关系曲线Fig.7 Dependence curves of leakage coefficient on ratio of gap-to-diameter图8 轴向力系数与隙径比的关系曲线 Fig.8 Dependence curves of axial thrust coefficient on ratio of gap-to-diameter表2 隙径比及轴向间隙的选择范围Tab.2 Selection scope of gap-to-diameter ratio and axial clearancer3/r1敏感区Gb2/mm过渡区Gb2/mm不敏感区Gb2/mm1．28<0．0074<0．330．0074～0．01830．33～0．82>0．0183>0．821．50<0．0067<0．350．0067～0．01590．35～0．83>0．0159>0．831．64<0．0064<0．370．0064～0．01460．37～0．84>0．0146>0．841．78<0．0059<0．380．0059～0．01370．38～0．86>0．0137>0．86由表2及图7和图8可看出，动静环的外半径与内半径的比值不变时，敏感区的轴向间隙较过渡区和不敏感区的轴向间隙都小.从减少液体泄漏量角度，选择敏感区的轴向间隙，轴向间隙越小越好，越有利于减少间隙液体泄漏量提高泵容积效率，但同时液体作用在动环上的轴向力会很大.选择过小的轴向间隙，一是会造成泵各零件轴向加工尺寸精度提高，泵制造及装配成本增加；二是会造成轴向间隙润滑、冷却条件急剧变差，不锈钢盘与石墨盘会出现烧结现象.从减少轴向力角度，选择不敏感区的轴向间隙，但在这种情况下，因隙径比的变化对泄漏量系数和轴向力系数几乎无影响，当轴向间隙达到一定值或进一步增大轴向间隙，不但不能减少作用在动环上轴向力，还会造成很大的容积损失，降低泵容积效率.因此，从控制轴向力减少液体泄漏量的角度，过渡区隙径比变化范围可作为轴向间隙设计的理论依据. 为了验证平衡装置平衡轴向力的效果，对平衡腔内不安装平衡装置时平衡腔液体压力进行了测试.后密封环直径Dm为90、105、115、125 mm条件下，平衡孔直径d为6、8、11 mm时设计工况平衡腔液体压力的测试结果如图9所示.图9 后密封环直径与平衡腔液体压力的试验曲线Fig.9 Test curves of liquid pressure in balance chamber vs back sealing ring diameter文献研究认为平衡腔体径向和轴向尺寸较小，平衡腔液体压力沿着径向均匀分布[12-13]，平衡腔区域液体作用在叶轮的后盖板力其中p2为平衡腔液体压力,Pa；rm为后密封环半径,m.由图9及式(5)可计算得到平衡腔区域叶轮后盖上轴向力，计算结果如图10所示.图1中在轴向间隙为0.4、0.6、0.8 mm条件下，动静环外径为90、105、115、125 mm时动环上轴向力的数值计算结果如图10所示.从图10可以看出，平衡腔区域液体作用在叶轮后盖板上轴向力随后密封环直径增大而增大.在相同后密封环直径的条件下，平衡孔直径为6、8、11mm时，平衡腔内未安装平衡装置时平衡腔区域液体作用在叶轮后盖板上轴向力较在平衡腔内安装平衡装置时液体作用在动环上轴向力大，验证了新型轴向力平衡装置有很明显地减小轴向力的效果.图10 轴向力的特性曲线Fig.10 Characteristic curves of axial thrust4 结论1) 轴向间隙液体压力沿半径方向逐渐增大，其关系曲线是斜直线,动静环外半径与内半径比值和轴向间隙的大小，对其斜率有明显影响.2) 泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线是非线性曲线.对于不同外半径与内半径比值的动静环，隙径比增大，泄漏量系数先急剧增大后趋于平坦，而轴向力系数先急剧减少后趋于平坦.可用敏感区、过渡区和不敏感区来表征平衡装置工作状态.3) 对于不同外半径与内半径比值的动静环，从控制轴向力减少液体泄漏量的角度，并考虑制造及安装工艺和良好的润滑及冷却等因素，提出过渡区隙径比可作为轴向间隙设计的理论依据.参考文献：[1] 刘在伦,齐学义,李琪飞.新型轴向力平衡装置轴向力的计算 [J].农业机械学报,2005,36(2):58-60.[2] 阮志坤,周淑萍.浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力的原理和实践 [J].水泵技术,2002,147(5):29-32.[3] 马旭丹,吴大转,王乐勤.多级离心泵轴向力平衡装置的设计与分析 [J].农业工程学报,2010,26(8):108-112.[4] 关醒凡,魏光新,陆伟刚.新型深井潜水泵轴向力平衡装置的原理和计算 [J].中国机械工程,1995,6(S1):15-17.[5] 刘在伦,魏烈江,齐学义,等.新型轴向力平衡装置间隙泄漏量的计算 [J].农业机械学报,2005,36(12):74-80.[6] 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双壳体多级离心泵(BB5)轴向力平衡特性分析及水力性能优化
双壳体多级离心泵（BB5）轴向力平衡特性分析及水力性能优化双壳体多级离心泵（BB5）轴向力平衡特性分析及水力性能优化摘要：双壳体多级离心泵（BB5）是一种广泛应用于化工、石油和能源等领域的关键设备。
然而，由于其特殊的结构和工作原理，常常面临着轴向力不平衡和水力性能不理想的问题。
本文通过对BB5泵的结构特点进行分析，研究了其轴向力平衡机理，并提出了一些水力性能优化的方法。
研究结果表明，通过优化叶轮叶片的倾斜角度和安装位置，可以显著减小泵的轴向力，并提高其水力质量。
关键词：双壳体多级离心泵；BB5泵；轴向力平衡；水力性能优化1. 引言双壳体多级离心泵（BB5）是一种专门用于高温、高压和腐蚀介质输送的离心泵。
其结构复杂，包括叶轮、泵壳、轴承、密封等关键部件。
由于其特殊的结构和工作原理，BB5泵常常面临着轴向力不平衡和水力性能不理想的问题。
轴向力不平衡会导致泵的振动加剧、密封性能下降；水力性能不理想则会影响泵的效率和稳定性。
2. BB5泵的结构特点BB5泵的结构特点主要包括双壳体和多级叶轮两个方面。
双壳体结构是为了满足高温、高压和腐蚀介质的要求。
它将泵壳分为前壳体和后壳体两部分，各自负责承载不同压力和温度的介质。
多级叶轮是为了提高泵的扬程和效率，它将泵送介质分为多个级别，每个级别都有独立的叶轮和导叶。
3. BB5泵的轴向力平衡机理轴向力平衡是保证泵正常运行的重要因素。
BB5泵的轴向力主要包括叶轮间的压差力、泵壳的压力力和离心力三个方面。
由于叶轮和泵壳的配置不合理，常常会导致这些力之间的不平衡，进而导致泵的振动加剧、密封性能下降。
为了解决这一问题，可以通过优化叶轮叶片的倾斜角度和安装位置来实现轴向力的平衡。
倾斜角度较小的叶轮会产生较小的压差力和离心力，从而减小轴向力；叶轮的安装位置也可以调整，以减小泵壳的压力力。
通过这样的优化措施，可以有效减小泵的轴向力，提高其工作稳定性和密封性能。
4. BB5泵的水力性能优化除了轴向力平衡外，水力性能的优化也是提高BB5泵工作效率和稳定性的重要措施。
多级离心泵平衡管
多级离心泵平衡管
多级离心泵平衡管是指在多级离心泵系统中使用的一种结构，旨在平衡泵的叶轮和轴的受力，从而提高离心泵的运行稳定性和寿命。
平衡管通常是沿着泵轴线安装的管道，用于平衡轴向力和降低径向力的不平衡。
平衡管的作用包括：
1.平衡轴向力：多级离心泵中，由于叶轮的作用，可能
会产生沿泵轴向的不平衡力。
平衡管的设置有助于抵消这些轴
向力，减小对轴的不均匀负载，有助于减轻轴的挠曲。
2.降低径向力：平衡管的设置还可以降低由于泵内流体
的离心力而引起的径向力。
这对于减小轴承的负载，提高轴承
寿命和泵的稳定运行至关重要。
3.防止振动和噪音：平衡管的使用有助于减少泵系统的
振动和噪音水平，提高设备的运行平稳性，减少系统对周围环
境的干扰。
4.增强系统的可靠性和稳定性：通过平衡轴向和径向力，
平衡管有助于提高多级离心泵系统的可靠性，减小由于不平衡
力引起的机械磨损和故障风险。
需要注意的是，平衡管的设计和安装需要根据具体的泵型号、工作条件以及流体性质等因素进行精确计算和调整。
这确保了平衡管在多级离心泵中发挥最佳效果。
在实际应用中，通常由泵制造商或设计工程师负责平衡管的设计和调整。
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离心泵叶轮轴向力自动平衡新方法
摘要：离心泵的作用是抽吸输送液体，原动机可提供机械能，而离心泵能够将机械能转变为液体动能以及压力能，为液体提供一定的压力，使得液体在流动过程中能够克服阻力。
在离心泵运行过程中可产生轴向推力，可对离心泵产生较大冲击，使得离心泵振幅增加，要求采用适宜的平衡方式进行调节。
对此，本文首先对轴向推动力的产生原因进行介绍，然后对离心泵叶轮轴向力自动平衡方法进行探究。
关键词：离心泵；叶轮；轴向力；平衡
在流体机械中，离心泵的应用比较常见，在离心泵运行过程中，叶轮会形成轴向力，与离心泵转轴的轴心保持平行，可对离心泵运行稳定性以及使用年限造成不良影响。
另外，如果轴向力比较大，还会导致轴承被烧毁，密封性能受到严重破坏，因此，需对离心泵轴向力进行有效控制，保证离心泵处于稳定运行状态。
一、轴向推力的产生
（一）作用在叶轮前、后盘上的压力不平衡。
单机叶轮轴向力作用形式如图1所示，在叶轮入口位置，压强比较低，为低压P1，而出口位置压强比较高，为高压P2，在离心泵运行中，叶轮持续旋转，并流出高压水，部分高压水通过间隙回流至叶轮前后盘外侧。
在叶轮半径R2至缝隙R1之间，前后轮盘压强分布为对称分布形式，并且可相互抵消，而在缝隙R1与轮毂半径Rg之间，叶轮左侧为入口低压，而右侧为出口高压，因此，在叶轮两侧压强并不平衡，此时即可产生轴向推力。
图1 单级叶轮轴向推力
（二）叶轮内水流动量发生变化。
当水在叶轮内流动时，速度方向可沿轴向逐渐转变为径向，随着速度不断发生变化，动量也会随之变化，进而对叶轮产生较大冲击力。
通常情况下，这一冲击力比较小，如果与叶轮前后轮盘所受到的压力处于不平衡状态，则会产生轴向力。
（三）大小口环磨损严重。
随着离心泵使用年限的不断增加，大小扣环磨损越来越严重，泄漏量持续增加，与此同时，叶轮前后轮盘压强分布也随之调整，导致轴向力增加。
通常情况下，这一轴向力比较小，但是，如果离心泵处于非正常运行状态，则轴向力比较大[1]。
二、单级离心泵叶轮轴向力自动平衡策略
（一）采用双吸式叶轮。
双吸式螺壳泵结构如图2所示，由于叶轮为对侧对称分布，因此可直接抵消离心泵，保证轴向力平衡。
1-双吸式叶轮；2-泵壳
图2 双吸式螺壳泵
（二）开平衡孔。
在叶轮上开平衡孔，如图3所示，在叶轮前盖板上有密封环，可在后盖板上增加相同的密封环A，另外，在后盖板和吸入口之间的相对位置，可开设对称的平衡孔，通过增加平衡孔，能够有效降低叶轮背面C空间压力，进而对叶轮两侧的压差进行有效控制，进而发挥轴向力平衡效果。
在离心泵中增加平衡孔，对于平衡孔总截面积，应当控制在密封环间隙环形截面积的3倍至6倍之间，据此有效平衡轴向力，同时还可有效避免轴向窜动所造成的不良影响，因此，在单机单吸离心泵轴向力平衡中，在叶轮增加平衡孔的方式比较常见[2]。
图3 叶轮上开平衡孔
（三）平衡管。
平衡管能够对离心泵轴向力发挥良好的平衡作用，同时还能够对转子轴向窜动进行有效控制，避免叶轮和外壳之间发生摩擦。
通过对平衡管的应用方式和效果进行分析，与开设平衡孔的作用大致相同，通过在离心泵中安装平衡管，即可使得叶轮两侧压力能够保持平衡，在最大程度上降低叶轮两侧压差以及轴向力。
（四）采用平衡叶片。
在平衡叶片的实际应用中，可将平衡叶片安装在轮盘外侧，在具体的安装过程中，可在轮盘外侧铸几片盘条状叶片。
在离心泵叶轮运行过程中，平衡叶片能够有效带动轮盘和壳体之间的液体，在近轴处，在离心力作用下即可产生低压，在叶轮背后，轴向力和液流作用，进而有效平衡轴向力。
在平衡叶片设计应用中，应当根据实际情况对平衡叶片长度、高度和数量进行控制，同时还需综合考虑泵壳之间的间隙。
通过应用平衡叶片，即可使轴向力保持平衡状态，避免对离心泵稳定运行造成不良影响，同时还可促进离心泵运行效率的提升。
三、多级离心泵叶轮轴向力自动平衡策略
（一）对称布置叶轮。
通过多级泵结构组成进行分析，对于叶轮，一般采用背对背方式进行排序，如图4所示，共包含4种方案。
在背靠背叶轮旋转中，轴向力相反，因此，可使得离心泵总轴向力相互抵消，进而达到轴向力平衡效果。
但是，在多级泵运行过程中，各级泄漏量不同，同时，各级轮毂尺寸也有一定差异，因此，如果仅对叶轮采用对称布置形势，往往无法完全平衡轴向力，轴承依然需要承受部分轴向力，另外，泵整体结构比较复杂，因此，对称布置叶轮这一方案主要被应用于潜水泵、多级泵中。
图4 对称布置叶轮方案
（二）采用平衡鼓。
平衡鼓结构如图5所示，其为圆柱体，在离心泵末级叶轮后可安装平衡鼓，当叶轮旋转时，平衡鼓也可随之转动，在平衡鼓外表和泵体之间，能够产生径向间隙。
平衡鼓前方即为离心泵末级叶轮的后泵腔，而平衡鼓后方则为与叶轮吸入口相互联通的平衡室。
因此，在离心泵运行过程中，平衡鼓前方压力P2与末级叶轮的排出压力P3大致相同，另外，平衡鼓后方的压力P4与吸入式中的压力和平衡管中阻力损失之和可作用于平衡鼓，此时，前后差即可形成平衡力F，其能
产生平衡作用。
够对作用于转子轴向力G
ax
图5 平衡鼓装置结构
在离心泵运行过程中，轴向力G
ax
和平衡力F虽然保持平衡状态，但是，泵体工况点处于不断变化中，因此，这一平衡状态会受到破坏，对此，还需联合应用
止推轴承，其能够有效承受剩余的轴向力。
在平衡鼓设计应用中，平衡力的计算方式为。
在离心泵中应用平衡鼓，仅需安装圆柱体结构，平衡鼓的结构组成比较简单，并且可靠性较强。
但是，在平衡鼓的实际应用中，泄漏量比较大，一般为设计点流量的5%～10%之间，并且仅能够对部分轴向力产生平衡作用，因此必须联合应用止推轴承[3]，才能够发挥良好的轴向力平衡效果。
（三）采用自动平衡盘。
平衡盘的组成结构如图6所示，通过对图6进行分析可见，在平衡盘中有两
个间隙，其一为轴套外圆所形成的径向间隙b
1
，其二为平衡盘内端面所形成的轴
向间隙b
2
，平衡盘后方具有平衡室，能够与离心泵叶轮吸入口相互联通，径向间
隙之前的压力为末级叶轮后腔压力P
3，P
3
在径向间隙影响下，可降低至P
4
，在经
过轴向间隙后再降低至P
5
，由于平衡盘前后两侧压力不同，因此可形成压差，当这一压差作用于平衡盘时，即可产生平衡力，而平衡力和叶轮轴向力的方向相反，
因此，能够有效平衡轴向力。
通常情况下，在平衡盘前后侧，压力p
3、p
5
保持不
变，当不平衡力发生变化时，平衡盘即可自动向前方或者后方移动，并且随着间隙△b
2
的变化进行调整，再次达到平衡状态。
图6 平衡盘装置结构
总结：
综上所述，本文主要对离心泵叶轮轴向力的自动平衡方法进行了详细探究。
离心泵结构组成简单，可与电动机相连接，在离心泵运行过程中出水均匀，调节方式快速便捷，运行效率比较高。
在叶轮旋转中可产生轴向力，如果轴向力过大，则会对离心泵运行稳定性造成不良影响，对此，可根据离心泵结构组成和运行情况选择适宜的轴向力自动平衡方式，保证离心泵能够处于安全稳定的运行状态。
参考文献：
[1]刘在伦，芦维强，赵伟国，等.离心泵平衡孔和背叶片对轴向力特性影响[J].排灌机械工程学报，2019，37（10）：7.
[2]刘东升，钱俊，霍幼文.平衡孔对离心泵性能影响的试验研究[J].装备机械，2021（1）：5.
[3]姚宝运，严文泽，刘志丹，等.平衡鼓结构对多级离心泵性能影响的研究[J].液压气动与密封，2020，40（6）：5.。