[00122006]離心泵浮動葉輪自動平衡軸向力技術基礎理論及實驗

1、課題來源與背景： 離心泵浮動葉輪是將平衡孔與平衡盤集成在葉輪上實現軸向力自動平衡的新技術,該技術雖在個別泵上應用并證明效果顯著,但對其研究主要集中在其原理及結構的介紹,該技術處在初級研究的階段。 離心泵浮動葉輪自動平衡軸向力技術是將平衡孔和平衡盤這兩種平衡軸向力技術集成在葉輪上,它與常規離心泵葉輪結構上的區別是葉輪后密封環直徑大于前密封環直徑且開平衡孔,葉輪可軸向移動。它是通過葉輪軸向位移量引起泄漏量變化,調節泵腔、平衡腔液體壓力,巧妙地利用了液體作用在葉輪前、后蓋板壓力差,實現軸向力自動平衡的新技術。該技術在泵上易于實現,解決了高轉速、高揚程泵軸向力問題,尤其是多級泵可取消專門的軸向力平衡裝置。 2、研究目的與意義： 著重研究了前后泵腔和平衡腔的液體壓力分布及計算,浮動葉輪結構的軸向間隙的液體泄漏量及壓力、液體作用在不銹鋼盤上軸向力的計算方法、以及葉輪軸向位移對泵水力性能的影響規律等問題,構建出離心泵浮動葉輪自動平衡軸向力技術的基礎理論框架,它不但為離心泵浮動葉輪結構設計及軸向力計算提供了基礎理論,也對常規離心泵軸向力研究提供了借鑒和有益參考,對促進泵技術進步具有較大影響。 3、主要論點與論據： 推導出了設計工況下泵腔液體壓力數學模型及其液體壓力損失系的理論值為1.2。依據試驗數據繪制出了不同比面積的泵腔液體壓力損失系數與相對半徑的關系曲線,并給出了其擬合公式。 推導出了設計工況下平衡腔液體壓力數學模型,并給出了數學模型中待定系數具體計算方法。試驗驗證了該數學模型的可靠性。 針對浮動葉輪結構特點,推導出了計算軸向間隙的液體泄漏量及壓力、液體作用在不銹鋼盤上軸向力的數學表達式。對試驗泵,為滿足控制一定泄漏量并減少軸向力的要求,提出軸向間隙選取0.4～0.8mm較為適宜。 4、創見與創新： 通過求解泵腔液體流動的Navies-Stokes方程,推導出了設計工況下泵腔液體壓力數學模型及其液體壓力損失系的理論值為1.2。依據試驗數據繪制出了不同比面積的泵腔液體壓力損失系數與相對半徑的關系曲線。結果表明,相對半徑小于0.8,前、后泵腔液體壓力損失系數分別為1.592、1.272,這與理論值基本一致。相對半徑大于等于0.8,前、后泵腔液體壓力損失系數的試驗與理論的值相差較大,為此給出了計算其壓力損失系數的擬合公式。從控制軸向力降低泵泄漏量的角度,提出平衡孔直徑取6～8mm較為合適;為了解決設計工況下平衡腔液體壓力計算問題,引入了壓力系數和比面積兩個無因特征參數,推導出了設計工況下平衡腔液體壓力數學模型,建立了揚程、葉輪平衡孔直徑大小及數量、葉輪后密封環直徑及間隙和平衡腔液體壓力的關系,試驗驗證了該數學模型是可行和可靠的;為了計算泵腔流道液體泄漏量,提出了泵腔流道液體泄漏量的測量方法和計算公式,依據試驗數據繪制出了不同壓力系數下速度系數與隙徑比的試驗曲線,并提出泵腔軸向間隙最佳取值為1～5mm;針對浮動葉輪結構特點,將其徑向和軸向的間隙液體流動分別簡化為平行平板間粘性層流運動和軸對稱二維粘性層流運動,推導出了軸向間隙液體泄漏量及壓力、液體作用在不銹鋼盤上軸向力的數學表達式。通過設計實例計算,繪制出了軸向間隙泄漏量和不銹鋼盤上軸向力與軸向間隙的關系曲線,從控制泄漏量減少軸向力的角度,提出軸向間隙選取0.4～0.8mm較為適宜;針對浮動葉輪軸向移動對泵性能影響的問題,試驗獲得了葉輪軸向位移對泵的性能和平衡腔區域液體作用在葉輪上軸向力的影響規律。 5、社會經濟效益,存在問題： 本項目屬基礎理論研究,暫無科技成果轉化及應用。 存在問題：在泵腔液體壓力分布的研究中,認為葉輪出口液體壓力等于泵腔進口液體壓力,這不符合實際情況,有待于繼續深入研究與探討;泵腔液體流動可視為軸對稱二維粘性層流運動,這種流動現象在葉輪機械中的間隙流動中也是存在的,要通過各種途徑簡化泵腔中粘性流體的運動方程才能得到葉輪蓋板力的準確解;浮動葉輪平衡腔內設有與葉輪同步旋轉不銹鋼盤和固定在泵蓋上的石墨盤,從控制一定泄漏量并減少軸向力的角度,其軸向間隙選取0.4～0.8mm較為適宜。有待試驗研究軸向間隙變化對壓力損失修正系數的影響規律。 6、歷年獲獎情況： 無獲獎。