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)
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。
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
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。
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。
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。
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。