1、离心泵几种间隙对性能的影响摘 要:本文通过研究离心泵的半开式叶轮前后部间隙,闭式叶轮密封环的前后部间隙和隔舌间隙,分别说明间隙对于离心泵性能产生的影响。研究表明:前部间隙对性能的影响比后部间隙大,粘度相同的介质,随着间隙的增大,间隙变化对性能的影响较大;对于粘度变化的介质,随着粘度的增加,间隙变化影响将减小。 关键词:离心泵 叶轮 密封环 泵体隔舌 间隙 离心泵具有性能范围广泛、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便等诸多优点,因此,离心泵在工业生产中应用最为广泛。除了在高压小流量或计量时常用往复式泵,液体含气时常用漩涡泵和容积式泵,高粘度介质常用转子泵外,其余场合,绝大多数使用离心泵。因此,
2、细致地研究离心泵,把影响离心泵性能的诸多因素考虑清楚,对工程设计和生产具有很好的指导性作用。 与其它转动设备相同,离心泵静止部件与转动部件之间必须留有适当的间隙,这些间隙配合对于离心泵的性能具有不可忽视的作用,而且不同位置、不同部件间的间隙配合,对于离心泵的性能影响程度也不同,例如半开式叶轮与泵体之间的间隙、闭式叶轮的密封环之间的间隙、叶片顶部和泵体隔舌之间的间隙,这些间隙是通过理论计算和实践经验总结出来的,对泵的性能和振动有很大的影响。 本文主要研究离心泵中几种不同位置的间隙与性能的关系,同时提出了增大隔舌间隙的几种方法。 一、半开式叶轮的前后部间隙与性能的关系 1.半开式叶轮的前部间隙与性
3、能的关系 对于半开式叶轮结构的悬臂式单级泵(见图 1、图 2) , 由于叶轮没有前盖板,叶轮与泵体耐磨板之间形成了前部间隙,通过调整转子位置,使间隙达到理论设计数值。这个间隙对泵的性能影响较大,为了定性的了解间隙与性能的影响程度,我们通过三维计算模型,模拟在多个工况,多种介质及多个间隙下通过下面计算公式进行了如下分析。 图 1 半开式叶轮示意图 1-泵盖;2-泵体;3-叶轮;4-密封环;5-轴套;6-填料密封机构;7-泵轴;8-托架;9-轴承;10-联轴器 图 2 半开式泵示意图 1.1 泵的扬程公式为: H=Pout-Ping 1.2 叶轮消耗的功率为: Pin=M-Mn9550 1.3 泵
4、水力效率为: h=pqQHM 1.4 总效率为: =hvm 式中:Pout 为蜗壳出口总压;Pin 为泵进口总压; 为输送液体的密度;M 为转矩;n 为转述; 为角速度;v 为容积效率;m 为机械效率。 通过三维计算得出下表 1,表中x 为间隙的变化绝对值,当间隙增加时,效率有明显变化,当输送介质的体积分数增大,间隙由 0 变化为1.0mm 时,效率的降幅反而减小;间隙由 1.0mm 变化为 2.0mm 时,对于不同介质,效率的降幅则较大,超过 10%,体积分数 大,效率变化也越大。 表 1 不同间隙的泵效率下降值 注: x/mm 表示单位 mm 的间隙变化的绝对值;/% 表示效率变化的绝对值
5、; 表示浆料的体积分数。 得出的结论为:前部间隙对泵效率有很大影响,间隙越大,其对扬程、效率影响也越大,轴功率也随间隙增大而升高。不同泵制造厂家有不同数值。 2.半开式叶轮的后部间隙与性能的关系 对于半开式叶轮后盖板与泵盖之间的间隙叫后部间隙。当这个间隙增大时,过流断面的面积将增大,间隙两端压力降随之增加,从而导致叶轮泄漏量增大,同时扬程降低1。在模拟实验中如果后部间隙超出了规定的范围,也会使轴向推力增加,进而导致推力轴承过早的失效。同时密封腔的压力也会随之增加。一旦密封面的受力增大,作用在密封面的力会转化成热能,使密封面温度升高,磨损也将加快。进而导致密封的泄漏量增大,严重时导致密封失效。通
6、常为了减少泄露,叶轮后盖板设计有背叶片结构。 通过模拟实验得出的结论为: 2.1 叶轮前部间隙对离心泵性能的影响比后部间隙大;间隙由 0 变化为 1.0mm 时,效率的降幅反而减小;间隙由 1.0mm 变化为 2.0mm 时,对于不同介质,效率的降幅则较大,超过 10%,体积分数 大,效率变化也越大。 2.2 前后部间隙对性能的影响随粘度的增加而逐渐减弱;当粘度一定时,前后口环的间隙同时增加对泵的性能影响最大。 2.3 叶轮前后部间隙增加对水力效率影响较小,使容积效率有较大的下降,相反机械效率有比较大的提升。若它不足以补偿前两者的下降总和,则泵效率下降。 2.4 扬程和效率曲线随间隙变化比较复
7、杂,在离心泵设计、制造和装配环节要合理确定和控制叶轮前部间隙,运行中应尽量避免叶轮前后部间隙同时扩大的情况。 二、闭式叶轮的密封环间隙与性能的关系 闭式叶轮结构通常带有前密封环和后密封环,密封环间隙(见图 3)必须设置在规定范围之内以保证泵的正常性能。根据泵执行的标准不同,密封环间隙数值也不同,如果是 API610 标准的泵,则不同直径规定了密封环最小间隙数值。 通常效率随着密封环间隙的增加而减小,前密封环间隙扩大引起效率相对变化率明显大于后密封环;扬程随着密封环间隙的扩大而减小,前密封环间隙对扬程相对变化率也明显大于后密封环;轴功率随着间隙的增加而增高2。 图 3 闭式叶轮示意图 随着闭式叶
8、轮密封环间隙的增加,必需汽蚀余量就会增加。必需汽蚀余量的增加取决于泵的设计情况。当叶轮密封环直径增大时,其间隙也随之增大,对于给定的间隙增大量,对必需汽蚀余量的影响也增大。如果其比率小,增加同样间隙对必需汽蚀余量的影响也就小。 在粘度一定的情况下,前密封环间隙增加引起泵性能的变化比后密封环大,前后口环同时增加对泵性能的影响最大。因此,在离心泵的设计、制造和装配过程中都要合理规定和控制前后密封环的间隙,运行中尽量避免前后密封环间隙同时扩大的情况。 三、叶片顶端至泵体隔舌的间隙与性能的关系 图 1、2、3 里的 B 间隙是从叶片顶端到泵体隔舌之间的距离。当叶轮直径增大时该间隙将缩小,液流由叶片顶端
9、通过泵体隔舌时产生的水力冲击就增大。即全部振动幅度,尤其是与叶片通过频率相关的振动顶点会随着 B 间隙的变小而增高。对双吸式叶轮来说,当 B 间隙为叶轮半径的 12%时,改变 B 间隙会明显改变由叶片通过频率引起的振动级别。这种效果常常在高能量泵(单级扬程在 183 米以上)上表现得尤为明显。与 B 间隙变化相关的振动变化程度随着泵的设计与型式的不同而不同。因此,增大叶轮与隔舌的间隙,使液体扰动状态得到改善,压力脉冲波幅减小,故使振动速度值降低。所以,增大隔舌间隙是减轻泵振动的一种有效措施。但必须指出,若隔舌间隙太大,必然使泵性能降低,特别是泵效率下降更为明显3。 增加 B 间隙也可以通过不修
10、整叶片,而用切削或磨削掉小部分泵体隔舌的方法。泵体隔舌需要完全倒圆(外圆角)以减弱水力冲击幅度。同时建议增加 B 间隙的值不要超过 8%,这种方法只会轻微改变水力性能。隔舌间隙增大和隔舌安放角扩大,流体经隔舌处到泵体内的回流量增加,出现环流区,容积损失增加,故使泵容积效率下降;同时在泵体内涡流损失、局部损失等水力损失,也有可能增加,致使水力效率有所下降。 隔舌间隙增大后,要保证工艺流程系统中流量不变,就必须使叶轮流量大于间隙未变时,泵的扬程将有所降低,这样才能保持泵在所要求的工况点运行。 四、结语 1.对于半开式离心泵,粘度不变的情况下随着间隙的增大,扬程和效率将下降,轴功率将相应的增大; 2
11、.前密封环间隙对离心泵性能的影响比后密封大; 3.泵的隔舌安放角和间隙对泵性能影响较大。增大隔舌间隙,使泵性能降低,尤其是泵效率下降明显。 参考文献 1李红,冯世峰,王涛等 轴向间隙对纸浆泵性能的影响规律J 排灌机械工程学报 第 29 卷 第 3 期 2011.5. 2李文广,费振桃,蔡永雄;离心油泵叶轮口环间隙对性能的影响J水泵技术 2004.5 . 3何希杰,顾春万,尚淑君等;泵隔舌间隙对性能影响的试验研究J流体机械 第 23 卷 第 6 期 1995.6 . 作者简介:刘若庆(1975,1) ,女,工程师,硕士学位,主要从事动设备的设计工作。2002.11-2012.3 大连苏尔寿泵及压缩机有限公司工程部 设计工程师。2012.4-至今 惠生工程(中国)有限公司 设计中心 动设备设计工程师。
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