[00122006]离心泵浮动叶轮自动平衡轴向力技术基础理论及实验

1、课题来源与背景： 离心泵浮动叶轮是将平衡孔与平衡盘集成在叶轮上实现轴向力自动平衡的新技术,该技术虽在个别泵上应用并证明效果显著,但对其研究主要集中在其原理及结构的介绍,该技术处在初级研究的阶段。 离心泵浮动叶轮自动平衡轴向力技术是将平衡孔和平衡盘这两种平衡轴向力技术集成在叶轮上,它与常规离心泵叶轮结构上的区别是叶轮后密封环直径大于前密封环直径且开平衡孔,叶轮可轴向移动。它是通过叶轮轴向位移量引起泄漏量变化,调节泵腔、平衡腔液体压力,巧妙地利用了液体作用在叶轮前、后盖板压力差,实现轴向力自动平衡的新技术。该技术在泵上易于实现,解决了高转速、高扬程泵轴向力问题,尤其是多级泵可取消专门的轴向力平衡装置。 2、研究目的与意义： 着重研究了前后泵腔和平衡腔的液体压力分布及计算,浮动叶轮结构的轴向间隙的液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的计算方法、以及叶轮轴向位移对泵水力性能的影响规律等问题,构建出离心泵浮动叶轮自动平衡轴向力技术的基础理论框架,它不但为离心泵浮动叶轮结构设计及轴向力计算提供了基础理论,也对常规离心泵轴向力研究提供了借鉴和有益参考,对促进泵技术进步具有较大影响。 3、主要论点与论据： 推导出了设计工况下泵腔液体压力数学模型及其液体压力损失系的理论值为1.2。依据试验数据绘制出了不同比面积的泵腔液体压力损失系数与相对半径的关系曲线,并给出了其拟合公式。 推导出了设计工况下平衡腔液体压力数学模型,并给出了数学模型中待定系数具体计算方法。试验验证了该数学模型的可靠性。 针对浮动叶轮结构特点,推导出了计算轴向间隙的液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的数学表达式。对试验泵,为满足控制一定泄漏量并减少轴向力的要求,提出轴向间隙选取0.4～0.8mm较为适宜。 4、创见与创新： 通过求解泵腔液体流动的Navies-Stokes方程,推导出了设计工况下泵腔液体压力数学模型及其液体压力损失系的理论值为1.2。依据试验数据绘制出了不同比面积的泵腔液体压力损失系数与相对半径的关系曲线。结果表明,相对半径小于0.8,前、后泵腔液体压力损失系数分别为1.592、1.272,这与理论值基本一致。相对半径大于等于0.8,前、后泵腔液体压力损失系数的试验与理论的值相差较大,为此给出了计算其压力损失系数的拟合公式。从控制轴向力降低泵泄漏量的角度,提出平衡孔直径取6～8mm较为合适;为了解决设计工况下平衡腔液体压力计算问题,引入了压力系数和比面积两个无因特征参数,推导出了设计工况下平衡腔液体压力数学模型,建立了扬程、叶轮平衡孔直径大小及数量、叶轮后密封环直径及间隙和平衡腔液体压力的关系,试验验证了该数学模型是可行和可靠的;为了计算泵腔流道液体泄漏量,提出了泵腔流道液体泄漏量的测量方法和计算公式,依据试验数据绘制出了不同压力系数下速度系数与隙径比的试验曲线,并提出泵腔轴向间隙最佳取值为1～5mm;针对浮动叶轮结构特点,将其径向和轴向的间隙液体流动分别简化为平行平板间粘性层流运动和轴对称二维粘性层流运动,推导出了轴向间隙液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的数学表达式。通过设计实例计算,绘制出了轴向间隙泄漏量和不锈钢盘上轴向力与轴向间隙的关系曲线,从控制泄漏量减少轴向力的角度,提出轴向间隙选取0.4～0.8mm较为适宜;针对浮动叶轮轴向移动对泵性能影响的问题,试验获得了叶轮轴向位移对泵的性能和平衡腔区域液体作用在叶轮上轴向力的影响规律。 5、社会经济效益,存在问题： 本项目属基础理论研究,暂无科技成果转化及应用。 存在问题：在泵腔液体压力分布的研究中,认为叶轮出口液体压力等于泵腔进口液体压力,这不符合实际情况,有待于继续深入研究与探讨;泵腔液体流动可视为轴对称二维粘性层流运动,这种流动现象在叶轮机械中的间隙流动中也是存在的,要通过各种途径简化泵腔中粘性流体的运动方程才能得到叶轮盖板力的准确解;浮动叶轮平衡腔内设有与叶轮同步旋转不锈钢盘和固定在泵盖上的石墨盘,从控制一定泄漏量并减少轴向力的角度,其轴向间隙选取0.4～0.8mm较为适宜。有待试验研究轴向间隙变化对压力损失修正系数的影响规律。 6、历年获奖情况： 无获奖。