叶轮背叶片对离心泵轴向力特性影响的研究

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/4/22来源:《电力设备》2018年第31期文/凌家俊
[导读]摘要:泵作为一种非常广泛的通用机械,有十分广泛的应用。

        (上海上电漕泾发电有限公司  上海  201507)
        摘要:泵作为一种非常广泛的通用机械,有十分广泛的应用。可以说泵的在整个国民经济中起着举足轻重的作用。离心泵在电力行业有着广泛的应用,不同结构的叶轮其内部受力也存在不同。对此,对叶轮背叶片对离心泵轴向力影响进行研究和分析,并在检修中如何将叶轮背叶片间隙控制,为平时检修提供一定的理论依据。
        关键词:离心泵;叶轮背叶片;轴向力;间隙控制
        引言
        离心泵工作时会产生轴向力,而轴向力一直以来都被视为影响泵稳定性的关键因素之一,对平衡离心泵轴向力的相关研究一直是泵行业研发设计人员关注的重点。一些减小离心泵轴向力的方法已经被广泛应用,但由于加工难度以及离心泵工作原理的限制,使得离心泵的轴向力不能完全得到平衡,甚至因为轴向力过大,发生烧毁转动轴承、损坏轴端密封、造成断轴事故,对系统运行的稳定性和安全性都构成了严重的威胁。
        1 电力行业概述
        离心泵结构简单,维修方便,在各行各业发挥着举足轻重的作用,人们非常形象地把泵比喻为现代工业的“心脏”。长期以来,离心泵运行的稳定性是研究人员长期关注的一个问题,而过大的轴向力就是引发离心泵停车检修的致命隐患之一。在许多场合下,轴向力过大产生的问题,成为离心泵能否安全稳定运行和有效使用寿命高低的决定性因素。为此,经过几代专家学者和技术研究人员的不懈努力,研制出了一些专门针对于轴向力的平衡装置。如今普遍采用止推轴承、平衡孔或平衡管、叶轮对称布置、背叶片、平衡盘和平衡鼓等方法来平衡轴向力。
        2 电力行业背叶片对轴向力特性的影响
        2.1 电力行业轴向力的产生原因
        离心泵在运行的过程中,叶轮在液体的作用下,会产生一个方向与泵轴的中心线平行的力,该力称为泵的轴向力。离心泵轴向力主要由以下几个方面构成:1.由于离心泵的前泵腔与泵进口直接相通,导致前泵腔液体压力小于后泵腔液体压力,而且后泵腔受力面积大于前泵腔,导致液体在叶轮前盖板和泵吸入口的压力小于液体作用在叶轮后盖板上的压力,这也是离心泵轴向力的主要组成部分,也是目前离心泵叶轮轴向力平衡研究的关键点,对于扭曲叶片的叶轮,其叶片受力在轴向方向的分力也是轴向力的重要组成部分。2.液体一般是由泵的进口沿着轴向流入叶轮,在叶轮离心力的作用下,液体沿径向或斜向流出进入压水室。由牛顿第二定律可知,由于液体在叶轮的作用下,其流动方向发生改变,在叶轮上会作用一个大小相等、方向相反的力,此力称作为动反力。3.轮毂、轴端等结构造成的轴向力。4.转子重量产生的轴向力。对于立式离心泵而言,转子重量是其轴向力的重要组成部分。5.其他因素:如离心泵的制造、装配、泵轴叶轮机械性能等。
        2.2 电力行业背叶片平衡轴向力基本原理
        在未安装背叶片时,叶轮右侧即后泵腔液体压力分布如图一中曲线AGF所示,左侧即前泵腔液体压力水头分布如曲线ADF所示。由图一知,叶轮前后盖板不对称,前盖板在叶轮进口部分没有盖板。产生轴向力的部分为叶轮口环以下到泵轴部分,即图一中阴影部分CDFE,方向指向叶轮入口。安装背叶片后,在背叶片的带动下泵腔内液体高速旋转,使后泵腔液体的旋转角速度增大,改变了后泵腔液体压力的分布规律。其压力如曲线GIK所示,它与原曲线GDF相差的阴影部分表示背叶片平衡的轴向力
       
        图一背叶片平衡轴向力示意图
        3 电力行业背叶片对泵性能的影响及轴向力计算
        3.1 电力行业背叶片对泵性能的影响
        当背叶片数目一定时,随着背叶片宽度的增加,泵的性能曲线有一定的规律性。通过比较图中曲线,在背叶片数Z=0,即无背叶片的条件下,泵的扬程曲线和输入功率曲线均位于有背叶片时曲线的下方,而效率曲线位于有背叶片时曲线的上方。随着背叶片宽度的增加,泵的扬程和功率也随之增大,而泵的效率逐渐降低。当背叶片数目Z=4,背叶片宽度t=6mm时流量为0.8Qd时,泵扬程增加了2.59%,输入功率增加22.13%,效率减小了15.84%;流量为1.0Qd时,泵的扬程增加了1.85%,输入功率增加了20.4%,效率减小15.34%;流量为1.2Qd即Q=30m3/h时,泵扬程增加了2.85%,输入功率增加了20.4%,效率减小13.42%。
        3.2 电力行业轴向力计算
        离心泵轴向力计算研究离心泵中液体以低压力进入叶轮,在高压力下流出叶轮,导致叶轮流道内液体的出口压力大于其进口压力,加上叶轮前、后盖板结构的不对称,使得叶轮两侧所受的液体压力不相等产生了轴向推力。为了工程实践应用方便,工程人员提出了很多轴向力理论计算公式,由于对叶轮及密封环内部流动研究的着眼点不同,得出的轴向力计算公式也不同。其中基于叶轮外径和密封环之间作用在叶轮两侧压力相等的前提下,轴向力的计算公式有:
        (1)德国Pfleiderer.C.推荐轴向力计算公式
       
        (2)英国Addison推荐的轴向力计算公式
       
        (3)以Stepanoff.A.J为代表,推荐的轴向力计算公式
       
        3.3 电力行业离心泵轴向力平衡研究
        离心泵的轴向力过大直接影响其运行的稳定性和可靠性,为了降低叶轮所承受的轴向力,通常采用的方法有平衡孔、背叶片、平衡管、平衡盘及平衡鼓等方式。背叶片方式通过降低叶轮盘侧流体压力来减少进口的轴向力,但轴功的增加会使离心泵效率降低。叶轮对称分布可以有效平衡轴向力,但其结构较复杂。其它平衡轴向力的方法需要通过安装特殊的机械结构才能实现,增加特殊机械结构不仅会增加生产成本,而且复杂的机械结构还会降低泵运行稳定性,并且增加维修难度。因此,平衡轴向力通常采用的方法为在离心泵的叶轮后盖板设置平衡孔,平衡孔的存在改变了离心泵平衡腔室内流体的流动特性,如改变流体的压力影响了盖板外腔压力的分布,因此轴向力也发生了变化。同时,平衡孔结构使得离心泵杨程、效率和轴功率也发生了变化。
        结语
        用背叶片来平衡轴向力是一种比较常见的平衡方法,但是在叶轮背面安装背叶片,使得泵的能量损失增加,导致泵的效率下降。所以如果能较为全面地认识背叶片结构对离心泵性能和轴向力特性影响的机理,以此作为优化背叶片结构的依据,将具有较大的实际意义。
        参考文献:
        [1]沈陈栋.离心泵进口回流诱导的空化特性研究[D].江苏大学,2016
        [2]明廷锋,郭井加,曹玉良,等.离心泵内流场空化特性的数值模拟研究[J].机电工程,2016,33(6):643-647.