离心水泵的轴向力平衡结构的制作方法

本实用新型涉及机械领域，更具体地涉及一种离心水泵的轴向力平衡结构。

背景技术：

在现有的离心泵装置中，水泵输送介质经叶轮做功后，通过叶轮上的平衡孔流回叶轮进口处低压区，以此抵消叶轮两侧的压力，达到平衡轴向力目的。但现有结构存在以下缺陷：

1、影响水力效率。水泵输送介质经叶轮做功后，通过平衡孔直接回流至叶轮的进口，对进口流道处的旋转液流造成冲击，使叶轮流道内的流束造成紊乱，影响水泵的运行效率。

2、零件质量隐患。在叶轮后盖板处钻平衡孔时不仅容易损坏叶轮内叶片，还对叶轮的结构强度造成影响。

3、零件加工处理问题。在叶轮上钻平衡孔，钻孔产生的毛刺附着在叶轮内部，需要及时剔除，影响生产效率。

因此本领域迫切需要开发新的有效提高水力效率，提高泵轴的强度，便于加工，同时又节约成本的技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是对离心水泵的通过平衡孔平衡轴向力的结构进行改进，取缔在叶轮上开设平衡孔的措施，采用在泵轴上开设泵轴轴孔和泵轴通孔的结构，使次压区的流体介质通过泵轴通孔和泵轴轴孔流入离心水泵进口的低压区，从而使叶轮流道内介质不受冲击，保证离心水泵运行效率，并保证叶轮盖板结构完整性和强度；提高泵轴的强度，也减少了泵轴的重量，节约材料成本。

本实用新型提供了一种离心水泵的轴向力平衡结构，所述轴向力平衡结构包括泵体1、叶轮2、泵轴4和泵盖6；

所述泵体内部设有低压区、高压区和次压区；当所述离心水泵工作时，流体介质从进口进入低压区，经叶轮2做功升压后，部分流体介质进入所述高压区，部分流体介质进入所述次压区；其中，所述的次压区由所述叶轮2、所述泵轴4和所述泵盖6之间界定；

并且，所述泵轴4在叶轮端的轴心处设有泵轴轴孔3，并且还设有泵轴通孔7；所述泵轴通孔7和所述泵轴轴孔3是流体连通的；所述泵轴通孔7的开口与所述次压区连通，而所述泵轴轴孔3的开口与所述低压区连通，从而使得所述次压区的流体介质通过泵轴通孔7和泵轴轴孔3流入所述的低压区。

所述离心水泵的轴向力平衡结构还设有用于密封泵轴4的机械密封件5。

所述泵轴通孔7的数量为1-4个。

在另一优选例中，所述泵轴通孔7的数量为2个，所述泵轴通孔7过轴心，且对称分布。

所述泵轴通孔7的总面积为∑S_t，所述泵轴轴孔3的面积为S₀，二者之比∑S_t/S₀为0.7-1.5，优选地0.8-1.2，更佳地0.9-1.1。

当配套电机功率为11kW～160kW时，所述泵轴4的直径D为35mm～70mm。

当配套电机功率为11kW～160kW时，所述泵轴4的空心部分直径d为12mm～30mm。

所述空心部分直径d与所述泵轴4的轴径D的比例d/D为0.05～0.75，优选地0.2～0.6，更佳地0.3～0.5。

在另一实施例中，所述叶轮2开设平衡孔。

所述离心水泵的轴向力平衡结构适用于多级离心水泵，较佳地适用于单级离心水泵，更佳地适用于单级单吸式离心水泵。

应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一个实例中的轴向力平衡结构的纵剖面构造图；

图2是本实用新型一个实例的对比例的轴向力平衡结构纵剖面构造图；

图3是本实用新型的参数对照曲线。

各附图中，各标示如下：

0-进口；

1-泵体；

2-叶轮；

3-泵轴轴孔；

4-泵轴；

5-机械密封件；

6-泵盖；

7-泵轴通孔；

13-平衡孔；

A-高压区；

B-次压区；

C-低压区。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量筛选，首次开发了一种离心水泵的轴向力平衡结构。该离心水泵的轴向力平衡结构提高了离心水泵的运行效率，并保证了叶轮盖板结构的完整性，同时提高泵轴的强度，也减少了泵轴的重量，节约材料成本。在此基础上完成了本实用新型。

术语

如本文所用，术语“水力效率”是指除去水力损失的液体功率和未经水力损失的液体功率之比。

离心水泵的轴向力平衡结构

本实用新型提供了一种离心水泵的轴向力平衡结构，它是一种具有特定结构的离心水泵的轴向力平衡结构。

典型地，与原有离心水泵的轴向力平衡结构相比，本实用新型将离心水泵的泵轴在靠近叶轮端的轴心处设有泵轴轴孔，并且在泵轴的径向方向上开设泵轴通孔。所述泵轴通孔过轴心，且对称分布，所述泵轴通孔与所述泵轴轴孔流体连通，所述泵轴通孔位于所述泵轴轴孔距叶轮较远的一端，泵轴通孔的开口与离心水泵的次压区连通，所述泵轴通孔的开口位于离心水泵的次压区与泵轴接触段，且靠近叶轮的一端。泵轴轴孔的开口与低压区连通，离心水泵的工作介质从次压区通过上述泵轴轴孔和泵轴通孔流入低压区，这样的设计基本不对叶片进口处液流造成影响，保证了水泵的运行效率。

在另一优选例中，所述离心水泵的轴向力平衡结构取消了原轴向力平衡结构叶轮上开设平衡孔的设计，避免损坏叶轮内叶片，同时增加了叶轮的结构强度，若在叶轮上钻平衡孔，钻孔产生的毛刺附着在叶轮内部，影响生产效率，需要及时剔除毛刺，使生产工艺复杂化并增加了生产成本。

在另一优选例中，离心水泵可保留叶轮上开设平衡孔的设计，辅助本实用新型的泵轴轴孔和泵轴通孔平衡轴向力。

在另一优选例中，离心水泵可保留叶轮上开设平衡孔的设计，但相比原离心水泵的平衡孔有所改进，现有的平衡孔的孔径可相对小一些，并且平衡孔的位置可更加贴近叶轮中心，减少对进口处液流的影响。

在本实用新型中，对于泵轴材质、泵轴大小和泵功率等没有特别限制。

就材质而言，可以采用本领域常规的泵轴材质，例如不锈钢、合金材料等。

就泵轴的大小而言，代表性的泵轴直径为5～200mm，较佳地10～150mm，更佳地20～100mm。

就泵轴的长短而言，代表性的泵轴长度为50～3000mm，较佳地90～2500mm，更佳地150～2000mm。

就泵功率而言，代表性的泵功率为1～500kW，较佳地5～250kW，更佳地10～200kW。

通常，本领域技术人员能够根据需要来确定合适的泵功率、泵轴材质、泵轴直径、泵轴长度等参数。

在本实用新型中，可以用常规方法形成泵轴轴孔和泵轴通孔。一种方法是先形成实心泵轴，然后加工形成上述的泵轴轴孔和泵轴通孔。另一种方式是通过直接模压或直接铸造，形成具有所述泵轴轴孔和泵轴通孔的泵轴。

在另一优选例中，所述离心水泵的轴向力平衡结构适用于多级离心水泵(比如：两级、三级离心水泵)。当用于多级离心水泵时，本实用新型的轴向力平衡结构适用于靠近离心水泵入口处的叶轮和轴的改造，其他叶轮以及轴段保持原有结构不变。

在另一优选例中，所述离心水泵的轴向力平衡结构适用于单级单吸离心泵、单级双吸离心泵、多级离心泵、自吸离心泵、电动机泵和柴油机泵等。

适用于本实用新型的水泵没有特别限制，代表性的例子包括(但并不限于)：输送泵、循环泵、消防泵、排污泵、计量泵、输液泵、消泡泵、流程泵、输油泵、给水泵、排水泵、疏水泵等。

此外，本实用新型的水泵可适用于各种不同的介质，其中代表性的水泵包括(但并不限于)：清水泵、污水泵、海水泵、热水泵、热油泵。

在另一实施例中，所述离心水泵的轴向力平衡结构的各构件表面可喷涂高分子复合材料，使其表面形成水力光滑表面，减少了泵内流体的分层，从而减少泵内部紊流，降低了泵内损失，从而降低电耗，提高水泵的水力效率。此外，图层分子结构的致密性，能隔绝空气、水等介质和水泵叶轮母材的接触，最大程度减少电化学腐蚀及锈蚀。

所述离心水泵泵轴强度的计算方法：

离心水泵的泵轴所能承受的最大切应力，应在泵轴材料允许承受的应力范围内，即泵轴的扭转强度条件为：

τ_max＝T/W≤[τ] ①

式中：τ_max-泵轴的最大切应力；

[τ]-泵轴材料允许应力；

T-泵轴传递的扭矩；

W-抗扭截面系数。

其中，当离心水泵的泵轴为实心时，其抗扭截面系数W_s：

W_s＝πD³/16 ②

式中：D-实心泵轴直径；

当离心水泵的泵轴为空心时，其抗扭截面系数W_k：

W_k＝πD₁³[1-(d/D₁)⁴]/16 ③

式中：D₁-空心泵轴直径；

d-泵轴的空心部分直径。

在泵轴扭矩T一致，受到的应力相同时，研究相同强度的实心轴和空心轴之间的尺寸关系：根据式②和③，令W_s＝W_k，得出相同强度情况下，空心泵轴和实心泵轴尺寸关系，如图3所示。图3中，横坐标表示D₁/D，即空心泵轴和实心泵轴的直径比值，确定比值后，对应的d/D纵坐标值即保证相同强度下，泵轴空心部分相对于实心轴的比值，对应的m_空/m_实即空心泵轴和实心泵轴的重量之比。

例如：以常见的实心轴直径40mm为例，在强度保持一致的情况下，采用空心轴结构时，考虑结构尺寸等因素，取空心轴直径42mm，即D₁/D＝42/40＝1.05，由图3，即横坐标为1.05，对应d/D值为0.6375，即空心轴空心部分直径d＝0.6375*40＝25.5mm，根据上述取值，计算出实心轴和空心轴部分的质量比为0.697，对应图3中m_空/m_实纵坐标数值。

本实用新型的主要优点包括：

(a)提高了离心水泵的水力效率。

(b)提高了离心水泵泵轴的强度，减少了其重量。

(c)节省原料，降低成本。

(d)部件加工方便，省时省力。

(e)延长离心水泵使用寿命。

因此，本实用新型可有效解决离心水泵轴向力的平衡问题，提高水泵运行效率，提高泵轴的强度，也减少了泵轴的重量，节约材料成本。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外，附图为示意图，因此本实用新型装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

实施例1：

如图1所示，将所述离心水泵的轴向力平衡结构应用于单级单吸式离心水泵，具体地，包括泵体1、叶轮2、泵轴4、机械密封件5、泵盖6。所述泵轴4在叶轮端的轴心处设有泵轴轴孔3，并且还设有泵轴通孔7；所述泵轴通孔7和所述泵轴轴孔3是流体连通的；本实施例中，泵轴通孔7的数量为2个，两个泵轴通孔7上下对称布置且过泵轴4的轴心；两个泵轴通孔7的总面积为∑S_t，所述泵轴轴孔3的面积为S₀，二者之比∑S_t/S₀为1，即上下两个泵轴通孔7面积之和为泵轴轴孔3的面积，充分有效利用泵轴通孔7与泵轴轴孔3的流通面积；泵轴4的直径D为43mm，泵轴4的空心部分直径d为18mm，空心部分直径d与所述泵轴4的轴径D的比例d/D为0.419。机械密封件5实现对泵轴4的轴面密封，阻止介质的外泄。

所述泵体内部还设有C低压区、A高压区和B次压区；当所述离心水泵工作时，流体介质从进口进入C低压区，经叶轮2做功升压后，部分流体介质进入所述A高压区，部分流体介质进入所述B次压区；其中，所述的B次压区由所述叶轮2、所述泵轴4和所述泵盖6之间界定；所述泵轴通孔7的开口与所述B次压区连通，而所述泵轴轴孔3的开口与所述C低压区连通，从而使得所述B次压区的流体介质通过泵轴通孔7和泵轴轴孔3流入所述的C低压区。

运行时，离心水泵输送介质以低压状态，从进口0的低压区C吸入到叶轮2中，经过叶轮2的做功，以高压状态从叶轮2出口送出，部分进入A高压区，A高压区的流体介质，经过叶轮2和泵盖6之间的间隙配合，产生压力差，使得达到B次压区的流体介质成为次压密封介质。B次压区的流体介质通过泵轴通孔7进入泵轴轴孔3，经泵轴轴孔3汇总后再次回流到C低压区，实现了叶轮2两侧的压力相互抵消，达到平衡轴向力目的。

对比例1：

如图2所示，现有的单级单吸式离心水泵，包括泵体1、叶轮2、平衡孔13、泵轴4、机械密封件5、泵盖6。离心水泵输送流体介质以低压状态，从进口0处的C低压区吸入叶轮2，经过叶轮2的做功，以高压状态从叶轮2出口送出，形成A区高压区，A高压区的流体介质经过叶轮2和泵盖6之间的间隙配合，产生压力差，使得达到B次压区的介质成为次压流体介质。在叶轮2上开设平衡孔13，B次压区的流体介质通过平衡孔13流入叶轮2进口处C低压区，实现了叶轮2两侧的压力相互抵消，达到平衡轴向力目的。机械密封件5实现对泵轴14的轴面密封，阻止介质的外泄。

实施例2：

改造前离心水泵泵轴为传统实心泵轴且泵轴直径D为40mm，根据式②可计算其抗扭截面系数W_s为12566mm³。

改造后，本实施例中离心水泵的各部分结构同实施例1，空心泵轴直径与原实心泵轴的直径之比D₁/D＝1.05时，则其空心泵轴直径D₁为42mm，根据图3可查得泵轴的空心部分直径d为25.5mm，考虑工艺性，取值d＝25mm，根据式③可计算其抗扭截面系数W_k为12721mm³。空心部分轴质量和实心部分质量比值m_空/m_实为0.711。

因此，可以看出当离心水泵泵轴为空心泵轴时，其抗扭截面系数W相对于实心泵轴更大，说明空心泵轴抗扭性能优于实心泵轴，且空心泵轴的质量也小于实心泵轴的重量。

实施例3：

改造前离心水泵泵轴为传统实心泵轴且泵轴直径D为40mm，根据式②可计算其抗扭截面系数W_s为12566mm³。

改造后，本实施例中离心水泵的各部分结构同实施例1，空心泵轴直径与原实心泵轴质量之比D₁/D＝1.05时，则其空心泵轴直径D₁为42mm，根据图3可查得，泵轴的空心部分直径d为25.5mm，考虑工艺性，取值d＝20mm，根据式③可计算其抗扭截面系数W_k为13800mm³。空心部分轴质量和实心部分质量比值m_空/m_实为0.8525。

因此，可以看出当离心水泵泵轴为空心泵轴时，其抗扭截面系数W相对于实心泵轴更大，说明空心泵轴抗扭性能优于实心泵轴，且空心泵轴的质量也小于实心泵轴的重量。

实施例4：

改造前离心水泵泵轴为传统实心泵轴且泵轴直径D为100mm，根据式②可计算其抗扭截面系数W_s为196350mm³。

改造后，本实施例中离心水泵的各部分结构同实施例1，当空心泵轴质量与原实心泵轴泵轴质量之比m_空/m_实＝0.8时，根据图3可得出对应m_空/m_实的横坐标数值1.018，此时d/D对应的纵坐标数值为0.4855，其空心泵轴直径D₁为101.8mm，泵轴的空心部分直径d为48.55mm，根据式③可计算其抗扭截面系数W_k为196430mm³。强度和实心轴基本一致。

因此，可以看出当离心水泵泵轴为空心泵轴时，保持抗扭性能不变时，空心泵轴的质量也小于实心泵轴的重量。

由上述各实施例与对比例，可以看出现有的离心水泵的轴向力平衡结构存在以下缺陷：

1、影响水力效率。B次压区的流体介质通过平衡孔直接回流至叶轮的进口，对进口流道处的旋转液流造成冲击，使叶轮流道内流束造成紊乱，影响水泵的运行效率。

2、零件质量隐患。在叶轮后盖板处钻平衡孔时不仅容易损坏叶轮内叶片，还对叶轮的结构强度造成影响

3、零件加工处理问题。在叶轮上钻平衡孔，钻孔产生的毛刺附着在叶轮内部，需要及时剔除，影响生产效率。

本实用新型各实施例较对比例，平衡效果基本一致，但本实用新型还可达到以下效果和优点：

1、提高水力效率。B次压区的流体介质通过泵轴轴孔直接回流至叶轮的进口，再流入叶轮进口，基本不对叶片进口处液流造成影响，保证了水泵的运行效率。

2、提高泵轴强度。经过严谨的计算及试验，具有适当轴孔的空心的水泵泵轴强度均大于实心的泵轴。

3、经济性。使用泵轴，减少了轴的重量，节约成本。

在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。