多级离心泵平衡装置的性能研究及结构优化

多级离心泵平衡装置的性能研究及结构优化

肖壮  

上海阿波罗机械股份有限公司 上海市 201400

摘要：利用 Fluent程序，分别对两种类型的径向圆柱间隙密封-平衡盘和径向迷宫密封-平衡盘进行了数值模拟。比较了两种平衡装置中的压力分布规律，平衡装置的平衡特性，以及泵的体积效率。研究发现，LSBD与GS-BD相比，其平衡盘两端的轴向间隙减少，从而减少了漏油，增加了泵的体积利用率。并使轴向压力发生变化时能够更快地恢复到新的平衡状态。另外，本文还对LS-BD平衡器中的迷宫密封参数进行了优化，并对其结构参数如径向间隙、空腔深度、齿宽、齿数等因素进行了分析，得出了最佳的设计参数。为进一步优化多级离心泵的平衡机构提供了理论基础。

关键词：平衡机构；迷宫式密封；参数最优

引言

由于多级离心泵的扬程较高，其轴向受力也比较大，其轴向受力的大小对其工作性能和工作效率产生重要的影响。在工程实践中，多段式水泵的失效大多是因为其出现了故障，所以对其进行合理的轴向力平衡机构设计显得尤为重要。CFD是近几年发展迅速的一种新型的流体计算方法。利用 CFD软件对叶轮和通道的流场进行了数值模拟，得到了与实际情况相符合的结果；通过对叶轮口环内的流场、动态性能和实验数据的比较，计算结果表明， CFD法是可靠的。但目前已有的研究主要集中在传统的平衡器内流场的数值模拟上对于新型的结构设计和优化设计却鲜有报道。本文基于一种垂直低温多段潜液泵的开发，根据其自身特点，采用了一种采用径向迷宫密封的方法。应用 Fluent程序，建立了一个完整的流场数学模型，用于两种不同的流场模拟。通过对两种结构的平衡特性的分析，得出了不同结构参数对整体性能的影响，得出了相应结构参数的最优范围，为多级泵的优化设计提供了理论基础。

一.离心泵的配重机构的构造

一般的离心泵都是水平的，它的平衡机构有平衡圆筒和它们的结合，而平衡板可以实现轴向力的自动平衡，因此，本文所介绍的多级泵是垂直的，它的平衡机构是图1。

图1平 衡装置结构及压力变化示意

在叶轮后面有三个部件，分别是：在平衡腔和平衡盘端表面之间有一个轴向间隙b2。

在经过 b径向间隙 b后，压降为 P，然后由轴向间隙b2下降到P3。通过平衡器的液体将返回到泵的抽吸口，这样P3就相当于抽吸管的压力。在泵工作条件固定的情况下，由压力差和叶轮的非对称性引起的轴向力可以看作是一个固定的数值，即垂直向上。平衡力是指叶轮轴系的自重与液体在叶轮的后部产生的压力。轴向间隙b2会因轴向力失衡而发生变化，从而使平衡腔中的压力 P发生变化，从而使平衡力动态地调整，直至轴力达到均衡状态，从而实现轴向力的自动均衡。

二.平衡器的流场数值模拟

2.1计算模式

在图3 A中示出了用于计算的模型。考虑到流域的周向分布规律，我们选取了1/72的总体模式，并对其进行了简化。由于液体从较大的空间进入到径向间隙 b，会造成很大的能量损耗，所以在 b径向间隙中，还建立了人口的局部流体模型。该方法采用周期边界条件，既能有效地降低网格数目，又能保证计算精度。

  (a)计算模型                 (b)网格划分结果

图3计算模型和网格划分结果(1/72)

2.2边界条件与计算

在 FLUENT中，设定了介质的参数，密度为420千克/立方米，粘度为1.1x10-+ Pa。与叶轮接触的边界称为旋转墙，法线在圆周方向上形成周期性的边界，压力入口值和压力出口分别被设为1.65 MPa和0.4 MPa。根据雷诺数的估计，确定了流态为紊流，采用 SIMPLE方法，其收敛准则是：残差小于1x10-5，比预设的收敛准则小2个数量级，从而提高了计算精度。

2.3计算与分析

通过对两种不同的平衡装置的流场进行了数值仿真，得到了在b2=0.14 mm的轴向间隙下的压力分布的云图。

(a)GS-BD压力云图                     (b) LS-BD压力云图

图4截面压力分布云图

从压力云图上可以看出， L段的径向间隙与平衡片的轴向间隙L2是主要的，而在均衡室的不同位置，压力分布基本一致。与GS-BD型平衡器相比，LS-BD型平衡器的均衡室压力平均值略低于GS-BD。为准确地分析两种均衡装置的内压变化，在 L型（0~28.8 mm）和L2型（63~43 mm）的压力-位置关系曲线如图5、6所示。

从图5的压力变化曲线可知，在GS-BD平衡设备 L段和L2段入口的压强都呈阶梯状降低，而在空隙处的压强则呈现出平稳的下降趋势。这是因为当液体进入一个较小的空隙时，静压力的一部分会转化成动能。

由图5的压力变化曲线可以看出，GS-BD平衡装置 L和L2进气口的压强均呈现出明显的递减趋势，而孔隙处的压强则呈现出稳定的下降趋势。这是由于在液体通过一个很小的孔洞时，一部分的静压就会转变为动能。

此外，由于间隙小，局部阻力系数大，能耗大。在空隙中，由于受到沿程的阻力，液体的静压能不断降低。从图6的压力变化曲线可知，LS-BD平衡设备 L段和L2段的人口压力值也呈阶梯状降低。在 L段的缝隙处，压力逐渐降低，每次通过一次密封齿，压力都会有明显的递减。这主要是因为迷宫的阻力和束流的收缩作用。L2段的间隙内压力的变化与GS-BD式平衡器的情况类似，且持续平稳地降低。通过对比，得出L2区的入口压力值与 L区出口的压力值相近，表明该区域的压力值几乎没有变化。当轴向间隙b2相同时，通过 L段的LS-BD比GS-BD型平衡器更大。轴向间隙b2对平衡力、刚度和泄漏率的影响如图7所示。

由图7中曲线可以看出:

(1)平衡力随着轴向间隙b2的增大而减小。LS-BD式均衡器可以减少系统的动态性。LS-BD的平衡装置对应的间隙b2在所要求的平衡力是一样的情况下变得更小。

(2)随着轴向间隙b2的增大，刚性增大后减小，LS-BD的刚度增大速率显著提高。LS-BD在平衡轴向力时具有很高的刚度；

(3)随着轴向间隙b2的增大，泄漏率增大，LS-BD均衡器的漏失率增大的速度降低。当间隙b2相等时，LS-BD型平衡器的漏失率比GS-BD型平衡器要小一些。在b2值小于0.1毫米时，两者之间差异不大。由以上结果可知，在同样的轴向压力作用下，LS-BD平衡器的轴向间隙b2减少，因此，漏油率降低，容积利用率增加。同时，当存在轴向力波动时，LS-BD的平衡机构因其较高的刚性而能更快地进入新的平衡状态，从而使其工作更加平稳。

三.LS-BD平衡器的迷宫结构参数对其性能的影响

通过在不改变平衡装置其他结构参数的情况下，对LS-BD平衡器的性能进行分析，得出了各结构参数对LS-BD平衡器性能的影响。

结果如图8所示。

由图8可以看出:

(1)平衡力和漏失率都随密封间隙 b，的增大而增大。由于泄漏通道面积的增加，节流效果明显降低，从而降低了压力损失，增加了平衡室的压力，增加了泄漏速率。

(2)当空穴深度h'增加时，平衡力、漏失率都有显著降低，当h'=0.4 mm时，其最小值为最小，以后逐步增加，增加速率逐渐降低。由于液体在腔室中的紊动程度与腔室的深度关系很大，而腔室中液体对主流的影响也与腔深有关，当深度达到--定值后，腔室中的液体对主流的影响就会降低，由此可以得出，随着h'的持续增加，压力和泄漏速率都将趋于一个固定的数值。

(3)平衡力和漏失率均随齿数 n的增加而降低。随着齿数 n的增加，也就是随着迷宫段长的不断增加，流体在流场中的阻力损耗和紊动能量也会随之增加，从而降低了系统的平衡力和漏失率。

(4)当齿宽度 l增加时，平衡力和漏失率均增加，这是由于齿宽度1增加而使 l减小，从而降低了流体的紊动能量消耗，当齿宽比 I/接近无限时，则没有空洞，从而形成了GS-BD均衡器，相应的平衡力和漏失率也达到了一定的数值。

通过对试验数据的分析，发现密封间隙 b对系统的平衡性能有明显的影响， b较低时，泄漏量也较低。但密封间隙太小，对生产、组装都有较高的要求，同时也会使其产生较大的横向刚度，从而使系统失稳，故应选择合适的密封间隙。通过对现有设计[17]的分析， b在0.15-0.2 mm范围内获得了较为理想的性能。当孔径h'约0.4 mm时，其漏失率最小，0.3~0.7毫米均为最小值，可用作设计深度h'。随着齿宽 l的增加，漏失率也会增加，所以在满足结构刚性要求的情况下，应尽可能减小齿面宽度，使其齿面宽度不宜超过1.2 mm。齿数 n增大，漏油减少，但齿轮数目的增大会对泵体的致密性产生不利影响，建议采用7~9齿。

四．总结

(1)当泵的轴向力不改变时，LS- BD平衡器的平衡片两端表面的轴向间隙b2减少，减少了泄漏，提高了泵的容积利用率；

(2)当存在轴向压力波动时，采用带迷宫结构的平衡机构，在轴向位移较少的情况下，能够实现新的平衡，从而保证了泵站的平稳运行；

(3)在LS-BD型平衡机构中，对其平衡特性的影响最大的是密封间隙 by。推荐的最佳参数范围为：0.15毫米（b）≤0.2毫米，0.3毫米（h')<0.7毫米， l<1.2毫米，7≤ n<9。

参考文献：

[1] 路明, 何铭. 多级离心泵轴向力平衡装置设计探讨[J]. 科技创新与应用, 2015(17):1.

[2] 李华政. 多级离心泵平衡装置结构改进[J]. 世界有色金属, 2018(13):2.

[3] 吴伟杰. 多级离心泵安全性能分析及优化设计[D]. 浙江大学, 2018.

[4] 汪国庆. 多级高压离心泵轴向力平衡装置研究与应用[J]. 通用机械, 2006(10):4.