丁 寧，董國朝

(1.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)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(jīng)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(zhuǎn)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(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[2,3]。

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。

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(jīng)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(yōu)點在于結(jié)構(gòu)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(nèi)外專家利用數(shù)值模擬的方法對有平衡孔葉輪模擬結(jié)果和實測結(jié)果進行預測，在允許范圍內(nèi)基本吻合[17,18]。其數(shù)值計算對流體流動現(xiàn)象進行求解，但數(shù)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(jù)葉輪開不同平衡孔數(shù)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(shù)量的平衡孔對離心泵性能以及其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向力的影響規(guī)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(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，其基本設計參數(shù)如表1所示。

表1 單級離心泵基本設計參數(shù)

不同平衡孔數(shù)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(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??；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、傳導裝置、推拉力傳感器等結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)螺母；5-測量桿；6-推拉力傳感器；7-支架

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，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(wěn)；通過性能分析還可以發(fā)現(xiàn)，該型號單吸泵具有較寬的高效區(qū)；

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?。浑m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?。?/p>

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(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，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(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?。?/p>

另外，與設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(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)[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(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。根據(jù)文獻[20]得知，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：

(3)

(4)

(5)

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：

FQ=ρQt(v1-v2cosθ)

(6)

整個葉輪所產(chǎn)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(jié)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(tài)的作用，以及后泵腔旋轉(zhuǎn)角速度較小，導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。