一种离心泵闭式叶轮及其设计方法与流程

本发明涉及一种叶轮，尤其是一种离心泵闭式叶轮。本发明涉及一种离心泵闭式叶轮的设计方法，尤其是一种叶轮的设计方法。
背景技术：
：在离心泵中，由于叶轮的前后盖板不对称，所受流体作用力不同，相互抵消后还剩下一部分轴向力，该轴向力作用方向朝向叶轮吸入口方向。在离心泵设计过程中，必须设法平衡或消除叶轮上的轴向力，否则它将造成转子窜动，甚至导致转子与固定零部件接触，造成零部件损坏。据实际生产统计，因轴向力引起的故障占泵故障的40％以上，其维修工作量也占了很大的比重，无形中增加了工作成本，降低了利用率。为了平衡叶轮上的轴向力，目前所采用的方案是设置平衡孔来平衡轴向力，该方案是在叶轮的前、后盖板上装两个直径相同的密封环，并在叶轮后盖板口环以下位置均匀设置若干平衡孔，使后盖板的平衡室与叶轮吸入口相联通，以达到平衡轴向力的目的。但是，这种方案存在以下不足：①平衡孔泄漏流对叶轮入口流态破坏严重，使泵的抗汽蚀能力下降；②液流从平衡孔泄漏造成容积损失较大，使得离心泵的效率降低；③平衡孔的位置大小等因素凭经验取值，平衡轴向力的效果不够理想；④轴向力不能完全被平衡，仍有残余轴向力存在。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能有效平衡叶轮上轴向力的离心泵闭式叶轮设计方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种离心泵闭式叶轮的设计方法，所述闭式叶轮包括前盖板、后盖板、位于前盖板和后盖板之间的若干叶片，及依次贯通前盖板和后盖板的轴孔，相邻两叶片间设有流道，其特征在于：所述叶片上开设有平衡孔，平衡孔的孔径为D；该平衡孔包括有入口和出口，平衡孔入口位于后盖板处、且远离轮毂设置，出口位于前盖板处、且靠近轮毂设置；平衡孔入口与出口之间连线为平衡孔中心线，该平衡孔中心线与轴孔轴线的夹角为θ，平衡孔入口距轴孔轴线的距离为r2，平衡孔出口距轴孔轴线的距离为r1；平衡孔开设于叶片内部，且不与流道相交；其中，r22-r12=4(Rm2-Rh2)zD2(8gω2Hp-R22+Rm2+Rh22);]]>r22>8gω2Hp-R22+2Rm2;]]>tanθ＝(r2-r1)/b2；D＝(0.4：0.7)b1；式中，Rm—口环半径，m；Rh—轮毂半径，m；z—叶片数；ω—转速，rad/s；Hp—叶轮出口势扬程，m；R2—叶轮半径，m；b2—叶片宽度，m；b1—叶片厚度，m；g—重力加速度。本发明的有益效果是：通过上述设计，平衡孔结构对离心泵闭式叶轮内部介质流动没有影响，不会干扰叶轮内部流态，也不会产生容积损失，而且提高了离心泵的工作效率，及叶轮轴向力的平衡效果。进一步优选设置为：夹角θ的范围为0°～60°。其中一种叶片设置方案为，各叶片上平衡孔的数量为1个或2个以上，且各叶片上平衡孔的数量均一致，保证闭式叶轮前盖板和后盖板处的受力平衡。另一种叶片设置方案为，叶片数量为偶数、且叶片数量大于等于4个，则设有平衡孔的叶片绕轴孔间隔、且均匀分布。即，不是每片叶片上均设有平衡孔，而任意两带平衡孔的叶片间存在1片或2片以上不带平衡孔的叶片，且带平衡孔的叶片均匀分布于闭式叶轮上。此处的均匀，指的是同一闭式叶轮上，任意两带平衡孔的叶片间不带平衡孔的叶片均保持一致。为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能有效平衡叶轮上轴向力的离心泵闭式叶轮。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种离心泵闭式叶轮，包括前盖板、后盖板、位于前盖板和后盖板之间的若干叶片，及依次贯通前盖板和后盖板的轴孔，相邻两叶片间设有流道，所述叶片上开设有平衡孔，平衡孔的孔径为D；该平衡孔包括有入口和出口，平衡孔入口位于后盖板处、且远离轮毂设置，出口位于前盖板处、且靠近轮毂设置；平衡孔入口与出口之间连线为平衡孔中心线，该平衡孔中心线与轴孔轴线的夹角为θ，平衡孔入口距轴孔轴线的距离为r2，平衡孔出口距轴孔轴线的距离为r1；平衡孔开设于叶片内部，且不与流道相交；其中，r22-r12=4(Rm2-Rh2)zD2(8gω2Hp-R22+Rm2+Rh22);]]>r22>8gω2Hp-R22+2Rm2;]]>tanθ＝(r2-r1)/b2；D＝(0.4：0.7)b1；式中，Rm—口环半径，m；Rh—轮毂半径，m；z—叶片数；ω—转速，rad/s；Hp—叶轮出口势扬程，m；R2—叶轮半径，m；b2—叶片宽度，m；b1—叶片厚度，m；g—重力加速度。本发明的有益效果是：改善闭式叶轮结构，使的平衡孔结构不会对离心泵闭式叶轮内部介质流动产生影响，不会干扰叶轮内部流态，也不会产生容积损失，而且提高了离心泵的工作效率，及叶轮轴向力的平衡效果。附图说明图1是实施例一所设计叶轮的结构示意图。图2是实施例一所设计叶轮的轴面剖视图。图3是实施例一所设计叶轮的主视图，去除前盖板。图4是实施例一所设计叶轮的轴向力分析图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述：实施例一：如图1、2、3、4所示，本实施例设计方法如下，闭式叶轮包括前盖板11、后盖板12、位于前盖板11和后盖板12之间的若干叶片2，及依次贯通前盖板11和后盖板12的轴孔13，相邻两叶片2间设有流道4。各叶片2上均开设有1个平衡孔3，平衡孔3的孔径为D；该平衡孔3包括有入口32和出口31，平衡孔3入口32位于后盖板12处、且远离轮毂14设置，出口31位于前盖板11处、且靠近轮毂14设置，平衡孔3入口32静压高于出口31静压。平衡孔3入口32与出口31之间连线为平衡孔3中心线，该平衡孔3中心线与轴孔13轴线的夹角为θ，θ的取值范围为0°～60°；平衡孔3入口32距轴孔13轴线的距离为r2，平衡孔3出口距轴孔13轴线的距离为r1。平衡孔3开设于叶片2内部，且不与流道4相交，即平衡孔3只在于叶片2内，且不穿过闭式叶轮内的流道4。平衡孔3平衡轴向力的大小取决于平衡孔3孔径、入口32和出口31位置以及平衡孔3的数量，具体计算方法详述如下：叶轮后盖板12任意半径R处，作用的压头差h为，h=Hp-h′=Hp-ω28g(R22-R2);]]>R—叶片上任一点至轴孔轴线的距离，m；Hp—叶轮出口势扬程，m；h′—任意半径R处的压头，m；R2—叶轮半径，m；ω—转速，rad/s；将上式两侧乘以液体密度ρ和重力加速度g，并从轮毂14直径积分到密封环直径，则得盖板轴向力T1为T1=∫RnRm2πRdRhρg=2πρg∫RhRm[FP-ω28g(R22-R2)]RdR=2πρgHP(Rm2-Rh22)-ω22πρgR228g(Rm2-Rh22)+ω22πρg8g(Rm4-Rh44);]]>即T1=πρg(Rm2-Rh2)[HP-ω28g(R22-Rm2+Rh22)];]]>ω—转速，rad/s；Rm—口环半径，m；Rh—轮毂半径，m；g—重力加速度。平衡孔3入口32的孔心距轴孔13轴线的距离为r2，平衡孔3出口31的孔心距轴孔13轴线的距离为r1，平衡孔3中心线与轴孔13轴线的夹角tanθ＝(r2-r1)/b2。平衡孔3入口32处的静压头平衡孔3出口31处的静压头由于平衡孔3直径较小，故可以将平衡孔3中心处的静压近似代表平衡孔的平均静压，则静压力分别为：T20=ρgh1π(D2)2=14πD2ρgω28g(R22-r22);]]>T10=ρgh1π(D2)2=14πD2ρgω28g(R22-r12);]]>T20—平衡孔入口的平均静压，N；T10—平衡孔出口的平均静压，N；则一个平衡孔3所能平衡掉的轴向力为ΔT0：ΔT0=T20-T10=14πD2ρgω28g(r22-r12).]]>本实施例以一个叶片2只开1个平衡孔3为例，所有平衡孔3平衡的总轴向力为ΔT：ΔT=zΔT0=14zπD2ρgω28g(r22-r12);]]>z—叶片数；令ΔT＝T1，可得：r22-r12=4(Rm2-Rh2)zD2(8gω2Hp-R22+Rm2+Rh22);]]>为保证平衡轴向力的效果，须使得平衡孔3入口32处静压至少大于口环处静压的2倍，才可使得平衡孔3入口32和出口间静压差大于口环处静压。(口环，也叫密封环，或者耐磨环)因此，Hp-ω28g(R22-r22)>2×[Hp-ω28g(R22-Rm2)];]]>r22>8gω2Hp-R22+2Rm2;]]>由于平衡孔3开在叶片2上，因此孔径取值范围为D＝(0.4：0.7)b1；b2—叶片宽度，m；b1—叶片厚度，m；综合可得：r22-r12=4(Rm2-Rh2)zD2(8gω2Hp-R22+Rm2+Rh22);]]>r22>8gω2Hp-R22+2Rm2;]]>tanθ＝(r2-r1)/b2；D＝(0.4：0.7)b1；本实施例各式中：R—叶片上任一点至轴孔轴线的距离，m；h′—任意半径R处的压头，m；Hp—叶轮出口势扬程，m；R2—叶轮半径，m；ω—转速，rad/s；T1—盖板轴向力，N；Rm—口环半径，m；Rh—轮毂半径，m；h2—平衡孔入口处的静压头，m；h1—平衡孔出口处的静压头，m；T20—平衡孔入口的平均静压，N；T10—平衡孔出口的平均静压，N；ΔT0—一个平衡孔平衡掉的轴向力，N；ΔT—平衡孔平衡的总轴向力，N；z—叶片数；b2—叶片宽度，m；b1—叶片厚度，m；g—重力加速度。由此方程组可得到平衡孔3位置和平衡孔3倾角的关系，再根据闭式叶轮相关参数通过优化计算确定合适的平衡孔3具体尺寸。由于本发明提供的离心泵闭式叶轮轴向力平衡方法和现有技术相比较，改变了平衡孔3的位置和方式，保留了结构简单易行的优点，但不干扰离心泵闭式叶轮的内部流态，也不会产生容积损失，提高了离心泵的效率和轴向力的平衡效果，所以该离心泵闭式叶轮轴向力平衡方法相比传统平衡孔方法具有强大的优势。所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。实施例二：与实施例一的区别设计仅在于，叶片2数量为偶数、且叶片2数量大于等于4个，则设有平衡孔3的叶片2绕轴孔13间隔、且均匀分布。其中，不带平衡孔的叶片称为原叶，则相邻两带平衡孔3的叶片2之间可以设有1个或多个原叶，且在同一闭式叶轮上，相邻两带平衡孔3的叶片2之间原叶的数量保持一致。实施例三，本实施例为离心泵闭式叶轮，该离心泵闭式叶轮采用实施例一或实施例二所公开的设计方法设计而成。当前第1页1 2 3