叶轮平衡孔直径对离心泵水力性能的影响刘在伦;石福翔;王仁忠;张森;孙雨【摘要】开平衡孔双密封环叶轮具有能平衡大部分轴向力的特性,至今仍广泛应用于离心泵中.在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径为0、6、8、10 mm的同一个叶轮,对泵的性能、前后泵腔和平衡腔的液体压力进行了系统测试.试验结果表明,加大叶轮平衡孔直径,会使泵的扬程降低,输入功率增大,效率降低;前后泵腔液体压力在相同半径处随着叶轮平衡孔直径的增大而减少,且后泵腔液体压力平均值较前泵腔液体压力高;在后密封环径向间隙不变时,随着叶轮平衡孔直径的增大,平衡腔液体压力无因次曲线变得平坦,从控制平衡腔液体压力及轴向力角度,后密封环径向间隙断面面积与叶轮平衡孔总面积存在最佳比值.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2016(042)006【总页数】5页(P57-61)【关键词】离心泵;叶轮平衡孔;性能;泵腔压力;平衡腔压力【作者】刘在伦;石福翔;王仁忠;张森;孙雨【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;松溪县中等职业技术学校,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;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH311开平衡孔双密封环叶轮具有能平衡大部分轴向力的特性,至今仍广泛应用于离心泵中.这种叶轮平衡轴向力的程度取决于叶轮后密封环直径与前密封环直径的比值、后密封环的长度和间隙、平衡孔的大小和数量等因素[1-6],通常将这种叶轮设计成前后密封环直径相等.丁成伟等[7-8]认为当平衡孔的总面积为后密封环径向间隙面积的5～6倍时,平衡孔平衡掉部分盖板力后其剩余轴向力约为无平衡孔时盖板力的10%～25%.在CB50-12.5-3型离心泵上,在有无叶轮平衡孔和后密封环条件下对泵性能进行了对比试验[9],试验结果表明,叶轮上无平衡孔和后密封环,可提高泵的扬程和效率,降低泵的汽蚀余量.沙玉俊等[10]在叶轮上有无平衡孔两种情况下对高温高压下运行的离心泵进行了全流道数值模拟及分析,认为叶轮平衡孔引起的泄漏液体使叶轮中水流流态变得更加紊乱,影响了泵的性能及轴向水推力.何玉洁等[11]以海水淡化多级泵为模型泵进行了后泵腔液体压力测量,将测试结果与传统的理论计算公式进行了对比分析,提出了泵腔液体压力计算的修正公式.牟介刚等[12]针对具体离心泵,采用数值模拟与试验相结合的方法,在两种叶轮平衡孔直径下研究了叶轮平衡孔对轴向力特性和前后泵腔液体压力分布的影响,从控制轴向力角度,提出了该泵叶轮平衡孔选择范围.本文以降速后的IS80-50-315型离心泵为研究对象,用平衡孔直径d为0、6、8、10 mm的同一个叶轮,对泵的性能、前后泵腔和平衡腔的液体压力进行了系统测试,研究了不同叶轮平衡孔直径下泵的性能、前后泵腔和平衡腔的液体压力的变化情况,为这种开平衡孔双密封环叶轮轴向力的准确计算提供了实际测试数据.试验是在兰州理工大学浮动叶轮离心泵闭式试验台上进行的,如图1所示.它由水箱、进出水管路系统、离心泵、智能涡轮流量计、调节阀、稳压罐及其上的压力传感器等组成.为了便于测量泵腔和平衡腔的液体压力和轴向力,将电动机布置在被测泵的进口端.泵的进口液体压力用精度为0.4级真空表和精度为0.5级电容式压力传感器同时测量,泵出口液体压力用精度为0.4级精密压力表和0.5级电容式压力传感器同时测量；流量用LW-DN50型智能涡轮流量计测量；转速与功率用安装在泵与电动机之间的转速转矩传感器测量,并配一台PI100型扭矩转速仪显示转速和泵输入功率[13].被测泵为降速后的IS80-50-315型离心泵,其设计参数为：流量qV=25 m3/h,扬程H=32 m,转速n=1 450 r/min,效率η=52%.图2为前后泵腔和平衡腔液体压力测试装置.为了测量前后泵腔液体压力,在泵体上半径为140、122、83 mm处开设3个测压孔,在泵盖上半径为157、146、116、89 mm处开设4个测压孔,闷盖上半径为44 mm处的测压孔是用来测量平衡腔液体压力.为了保证液体压力测量的精度及可靠性,专门设计的稳压罐如图3所示.稳压罐上设有精度为0.4精密压力表和精度为0.5级电容式压力传感器,压力表和电容式压力传感器相互印证并可同时读出被测压力.稳压罐上的8个测压点分别与前后泵腔测压孔和平衡腔测压孔相连接,通过切换阀门,分别测出各测压孔处液体压力,即各测压孔处液体压力是用同一块电容式压力传感器测出的.为了保证测试结果的可靠性,对前后密封环进行了专门加工,密封环直径Dm为89 mm,径向间隙b为0.2 mm,长度L为15 mm.每次测试完毕,在同一个叶轮上对平衡孔扩孔,保证叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm.试验方法是在同一个叶轮通过改变平衡孔直径使泵在不同工况下稳定工作,测试泵性能、前后泵腔和平衡腔的液体压力.2.1 叶轮平衡孔直径对泵性能的影响在叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm条件下对泵性能进行了测试,图4为流量为0.8qV、1.0qV、1.2qV时泵稳定工作的扬程、输入功率和效率的变化曲线.从图4可以看出,叶轮平衡孔直径对泵的扬程、效率和输入功率有影响,其关系曲线有一定的规律性,随着叶轮平衡孔直径的增大泵的扬程和效率是降低的,输入功率是增大的.该泵叶轮平衡孔设计直径为6 mm,叶轮平衡孔直径d=6 mm相对平衡孔直径d=0 mm下,在0.8qV时扬程降低了0.16%,输入功率增加了0.67%,效率下降了0.41%；在1.0qV时扬程降低了0.41%,输入功率增加了1.2%,效率下降了0.79%；在1.2qV时扬程降低了0.22%,输入功率增加了0.49%,效率下降了0.16%.可见,叶轮平衡孔直径d=6 mm相对平衡孔直径d=0 mm下,泵的扬程、输入功率和效率的变化不大.叶轮平衡孔直径d=10mm相对于d=6mm下,在0.8qV 时扬程降低了1.87%,输入功率增加了1.27%,效率下降了3.04%；在1.0qV时扬程降低了0.5%,输入功率增加了0.81%,效率下降了1.19%；在1.2qV时扬程降低了1.32%,输入功率增加了0.67%,效率下降了1.33%.这是因为叶轮平衡孔的存在,使一部分叶轮出口处的高压流体未能由泵出口处排出，而是经叶轮平衡孔又流回到叶轮流道中,从而形成回流.再者从叶轮平衡孔流出的射流流体使叶轮进口水流的流态变得更加紊乱,在一定程度上增大了作用在叶轮上的输入功率.上述原因导致了泵输入功率增大,效率降低.随着叶轮平衡孔直径的增大,其对泵的扬程、输入功率和效率的影响程度变大.2.2 叶轮平衡孔直径对前后泵腔液体压力分布的影响图5和图6是叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm条件下,流量为0.8qV、1.0qV、1.2qV时前后泵腔液体压力分布曲线.从图5和图6可以看出,在相同叶轮平衡孔直径下前后泵腔液体压力随着半径的增大而增大；在不同叶轮平衡孔直径下前后泵腔液体压力沿径向分布几乎是一些平行的直线,且前后泵腔液体压力在相同半径处随着叶轮平衡孔直径的增大而减小.叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm 条件下,在0.8qV时后泵腔液体压力水头平均值较前泵腔液体压力水头平均值高1.04、1.00、0.50、0.38 m；在1.0qV时后泵腔液体压力水头平均值较前泵腔液体压力水头平均值高1.20、1.17、0.77、0.69 m；在1.2qV时后泵腔液体压力水头平均值较前泵腔液体压力水头平均值高0.76、0.55、0.40、0.20 m.试验结果表明,在相同工况和相同叶轮平衡孔直径下,后泵腔液体压力平均值较前泵腔高,且随着叶轮平衡孔直径增大,后泵腔液体压力较前泵腔液体压力降低的幅度减少.在这种开平衡孔双密封环叶轮的轴向力计算中,认为密封环以上部分前后泵腔液体压力分布相同是不符合实际情况,这也是这种叶轮的理论轴向力小于实测轴向力的主要原因之一.在叶轮平衡孔直径d=10 mm相对于d=0 mm下,0.8qV时前泵腔液体压力水头平均降低了0.91 m；后泵腔液体压力水头平均降低了1.50 m,在1.0qV时前泵腔液体压力水头平均降低了0.85 m,后泵腔液体压力水头平均降低了1.20 m；在1.2qV时前泵腔液体压力水头平均降低了0.65 m,后泵腔液体压力水头平均降低了1.00 m.由此可见,加大叶轮平衡孔直径对前泵腔液体压力影响不大,但对后泵腔液体压力有较大的影响.其原因是后泵腔与前泵腔比较,多了叶轮平衡孔这道“闸阀”,随着叶轮平衡孔直径的增大,这道“闸阀”开度增大,后泵腔液体泄漏量增大,压力降低.2.3 叶轮平衡孔直径对平衡腔液体压力的影响对于既定的离心泵,其叶轮后密封环直径及径向间隙、平衡孔大小及数量对平衡腔液体压力及轴向力有着直接的影响.为了准确地描述叶轮平衡孔直径对平衡腔液体压力的影响规律,参照文献[14]引入描述平衡腔结构的无因次特征参数和压力无因次特征参数其定义如下：比面积它是叶轮的平衡孔总面积与后密封环径向间隙断面面积的比值,实质上反映了后泵腔进口到平衡孔出口与叶轮后盖板和后泵腔构成的整体流道的扩散或收缩程度.其表达式为式中：z为叶轮平衡孔数量；b为后密封环径向间隙,mm；Dm为后密封环直径,mm.压力系数它是平衡腔液体压力与泵进口液体压力的差值与水泵相应工况下扬程H 的比值,实质上反应了这种开平衡孔双密封环叶轮单位扬程在叶轮平衡孔前、后造成的压力差,其表达式为式中：p为平衡腔液体压力,Pa；p1为叶轮进口液体压力,Pa；H为水泵扬程,m.IS80-50-315型离心泵的叶轮平衡孔数量z=5,后密封环直径Dm=89 mm,后密封环径向间隙b=0.2 mm.叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm条件下,流量为0.8qV时实测泵扬程为29.49、29.44、29.28、28.89 m；流量为1.0qV时实测泵扬程为27.49、27.38、27.30、27.24 m；流量为1.2qV时实测泵扬程为25.25、25.13、24.86、24.69 m.流量为0.8qV、1.0qV、1.2qV时实测叶轮进口液体压力p1=0.叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm时对应的比面积为0、2.50、4.44、6.94.叶轮以均角速度旋转,平衡腔液体整体地绕泵轴以均角速度旋转,液体处于相对静止的平衡状态[15],可认为平衡腔液体压力和泵进口液体压力都沿着径向方向均匀分布,则平衡腔液体压力等于半径为44 mm处测得的液体压力.在叶轮平衡孔直径d为0、6、8、10 mm条件下,将流量为0.8qV、1.0qV、1.2qV时实测的平衡腔液体压力值和泵扬程值代入式(2),可获得平衡腔液体压力无因次曲线,如图7所示.从图7可以看出,压力系数与比面积的关系曲线是非线性曲线,比面积增大,压力系数降低；在后密封环径向间隙不变时,仅加大叶轮平衡孔直径,即增大比面积,压力系数降低.由于叶轮进口液体压力不变,平衡腔液体压力降低,说明加大叶轮平衡孔直径可降低平衡腔液体压力及减少轴向力；当比面积大于4时,该曲线几乎为平行于坐标轴的直线,这说明过大的叶轮平衡孔直径,对降低平衡腔压力系数及平衡腔液体压力的效果并不明显,过大的叶轮平衡孔直径还会造成泵泄漏量增加,容积效率降低.当比面积小于2.50时,平衡腔液体压力随着比面积的减小急剧增大,即平衡腔液体压力急剧增大,可见从控制平衡腔液体压力及轴向力角度,比面积存在最佳值.对于试验泵取值为2.50～4.00较为合适.1)随着叶轮平衡孔直径的增大,泵的扬程降低,输入功率增大,效率降低,且当叶轮平衡孔直径增大到6 mm以上时,各性能参数变化幅度加大.2) 加大叶轮平衡孔直径对前泵腔液体压力影响不大,但对后泵腔液体压力有较大的影响,且后泵腔液体压力平均值较前泵腔液体压力高.在这种开平衡孔双密封环叶轮的轴向力计算中,认为密封环以上部分前后泵腔液体压力分布相同，不符合实际情况.3) 加大叶轮平衡孔直径可降低平衡腔液体压力及减少轴向力,但过大的叶轮平衡孔直径其降低平衡腔液体压力及平衡轴向力的效果并不明显.从控制平衡腔液体压力及轴向力角度,比面积存在最佳值.【相关文献】[1] MARJAN G,DUSAN F,BRANE S.Hydraulic axial thrust in multistage pumps-origins and solutions [J].Journal of Fluids Engineering-Transactions of the ASME,2002,124(2):336-341.[2] 陆伟刚,张金凤,袁寿其.离心泵叶轮轴向力自动平衡新方法 [J].中国机械工程,2007,18(17):2037-2040.[3] 李伟,施卫东,蒋小平,等.屏蔽泵轴向力平衡新方法 [J].农业工程学报,2012,28(7):86-90.[4] GEORGE S,ERIC O.Experimenta1 eva1uation of axial thrust in pumps [J].World Pumps,1999,393:34-37.[5] 孔繁余,刘建瑞,施卫东,等.高速磁力泵轴向力平衡计算 [J].农业工程学报,2005,21(7):69-72 .[6] 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 .[7] 沈阳水泵研究所,中国农机化科学研究院.叶片泵设计手册 [M].北京:机械工业出版社,1979.[8] 丁成伟.离心泵与轴流泵原理及水力设计 [M].北京:机械工业出版社,1981.[9] 凌玮,高良凤,沙毅.比转速185的离心泵研制及平衡孔对泵性能影响的试验研究 [J].水泵技术,2013(2):20-22.[10] 沙玉俊,刘树红,吴玉林,等.平衡孔对高温高压离心泵性能的影响研究 [J].水力发电学报,2012,31(6):259-264.[11] 何玉洁,周广凤,潘金秋,等.海水淡化多机泵轴向力试验 [J].排灌机械,2009,27(2):108-109.[12] 牟介刚,范文案,郑水华,等.离心泵平衡孔面积对轴向力及外特性影响的研究 [J].机械制造,2013,51(589):58-60.[13] 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