一种高速离心泵轴向力平衡结构及其预测方法技术

本发明专利技术公开了一种高速离心泵轴向力平衡结构及其预测方法，离心泵包括蜗壳(1)、叶轮(2)、转轴(3)、诱导轮(4)，蜗壳包括前泵壳(11)、后泵盖(12)，叶轮包括前盘(21)、后盘(22)、叶片，后盘的外侧设置有密封环，其特征在于：平衡结构包括第一凹槽(13)、轴向力调节部(14)，第一凹槽设置于后泵盖，第一凹槽为环形凹槽，第一凹槽内设置有多个轴向力调节部，多个轴向力调节部沿周向分布，第一凹槽位于密封环的径向外侧。本发明专利技术能够有效地预测和平衡高速离心泵的轴向力，缩短高速泵设计周期，提高高速离心泵设计合理性，从而提高泵运行的稳定性，延长使用寿命。使用寿命。使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高速离心泵轴向力平衡结构及其预测方法


[0001]本专利技术涉及离心泵
，具体涉及一种高速离心泵轴向力平衡结构及其预测方法，其预测方法是一种基于二维转子
‑
定子腔理论的高速离心泵轴向力预测方法。

技术介绍

[0002]高速离心泵被广泛用于航空航天和化工等领域，其高转速导致的转子轴向推力问题一直是该领域研究的热点问题，不平衡轴向推力会加剧泵装置运行的不稳定性。高速离心泵不平衡轴向推力是由其叶轮两侧泄露流道的不平衡压力分布引起的，高速离心泵两侧泄漏流道内的流动极其复杂，当离心泵运行时，叶轮迫使流体旋转，在这个过程中，部分流体会通过高速离心泵叶轮两侧的泄露流道流向泵装置内的低压区，这将导致作用于叶轮前后表面的流体压力分布不平衡，从而使叶轮受到沿轴向方向的不平衡推力作用。目前，评估高速离心泵轴向力的方法大多是利用CFD方法对高速离心泵进行全流场数值计算，但是这种方法存在模型处理困难、计算成本高、设计周期长等一系列问题。因此，更有效地平衡轴向力、降低设计成本是该领域中仍然亟需并持续需要优化的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高速离心泵轴向力平衡结构及其预测方法，其通过第一凹槽、轴向力调节部和/或第一连通孔和/或第二连通孔、第三连通孔的设计，能够有效地平衡离心泵的轴向力，此外，所述的轴向力预测方法基于二维转子
‑
定子腔理论，通过该预测方法，能够降低计算成本及计算时长，且具备与CFD流动计算结果相当的求解精度。本专利技术的有益效果是，缩短了高速离心泵的整体设计周期，提高了高速离心泵设计的合理性，从而提高泵在实际工况的运行稳定性，延长了泵的使用寿命。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种高速离心泵轴向力平衡结构，离心泵包括蜗壳(1)、叶轮(2)、转轴(3)、诱导轮(4)，蜗壳的腔内安装有叶轮，叶轮、诱导轮安装于转轴上，蜗壳包括前泵壳(11)、后泵盖(12)，叶轮包括前盘(21)、后盘(22)、叶片，多个叶片沿周向分布并连接于前盘与后盘之间，后盘的外侧设置有密封环，其特征在于：平衡结构包括第一凹槽(13)、轴向力调节部(14)，第一凹槽设置于后泵盖，第一凹槽为环形凹槽，第一凹槽内设置有多个轴向力调节部，多个轴向力调节部沿周向分布，第一凹槽位于密封环的径向外侧。
[0006]进一步地，所述轴向力调节部(14)的截面呈梯形结构或三角形结构，梯形结构的长底位于径向外侧，短底位于径向内侧，且轴向力调节部的轴向宽度小于第一凹槽(13)的轴向深度。
[0007]进一步地，所述密封环包括第一密封环(26)、第二密封环(27)，后泵盖(12)上设置有第二凹槽(16)、第三凹槽(17)，第一密封环配合/匹配于第二凹槽内，第二密封环配合/匹配于第三凹槽内，后泵盖上设置有第一连通孔(15)，第一连通孔一端连通于第一凹槽(13)，另一端连通于第二凹槽。
[0008]进一步地，所述第一密封环(26)上设置有第二连通孔(28)，第二密封环(27)上设置有第三连通孔(29)，第二连通孔分别连通第一密封环的径向两侧，第三连通孔分别连通第二密封环的径向两侧，且第二连通孔位于第二凹槽(16)内，第三连通孔位于第三凹槽(17)内。
[0009]进一步地，所述第一密封环(26)具有轴向长度L1，第二密封环(27)具有轴向长度L2，L2＝(0.6
‑
0.8)L1；第一密封环具有径向宽度H1，第二密封环具有径向宽度H2，H2＝(0.6
‑
0.8)H1；轴向力调节部(14)具有径向宽度H3，H3＝(1.5
‑
2.5)H1。
[0010]进一步地，所述叶片包括多个第一叶片(23)、多个第二叶片(24)，第一叶片为长叶片，第二叶片为短叶片，叶轮上还设置有平衡孔(25)；在径向方向上，从径向内侧至径向外侧，位置关系分别为：第一叶片(23)前缘最小半径处
→
平衡孔(25)
→
第二密封环(27)
→
第一密封环(26)
→
第一凹槽(13)内侧半径处
→
第二叶片(24)前缘最小半径处
→
轴向力调节部(14)；第二叶片前缘最小半径值等于轴向力调节部最小半径值。
[0011]进一步地，所述转轴(3)上设置有第一螺纹段(31)、第二螺纹段(32)、中间台阶段(33)，第一螺纹段与叶轮(2)的轮毂的螺纹孔相配合连接，第二螺纹段与诱导轮(4)的内螺纹孔相配合连接，中间台阶段设置于第一螺纹段与第二螺纹段之间。
[0012]一种高速离心泵轴向力的预测方法，其可基于上述高速离心泵轴向力平衡结构，其特征在于，其包括以下步骤：
[0013]步骤1：高速离心泵前泵腔、后泵腔几何简化，将泵腔分解为不同轴向力计算单元，由于高速离心泵腔体结构一般不是规则的圆柱形，所以在保证计算精度的前提下，将泵腔几何结构简化处理为圆柱形腔体；前泵腔为叶轮前盘与蜗壳之间的泵腔，后泵腔为叶轮后盘与蜗壳之间的泵腔；
[0014]步骤2：根据转子
‑
定子腔理论，为简化后泵腔的几何单元确立流动控制方程；
[0015]步骤3：通过合理假设，将泵腔几何单元简化为无量纲微分代数方程，从而易于实现数值求解；
[0016]步骤4：确定各单元边界条件控制方程，得到各单元无量纲压力、速度边界条件；
[0017]步骤5：根据步骤4得到的压力、速度边界条件，基于龙格库塔法，在Matlab软件平台内开发求解程序，对无量纲微分代数方程进行数值求解，进而得到高速离心泵轴向力预测值；
[0018]步骤6：考虑叶轮内流道流体动反力及诱导轮表面受力，对求解得到的高速离心泵轴向力进行修正，进而得到修正后的高速离心泵轴向力预测值。
[0019]进一步地，所述步骤3中，通过合理假设将泵腔几何单元简化为无量纲微分代数方程，从而易于实现数值求解，具体为：
[0020]假设1：简化泵腔几何单元湍流核心区的切向速度vθ在相同径向坐标r处是恒定的；
[0021]假设2：简化泵腔几何单元湍流核心区的径向速度分量v
r
＝0和轴向速度分量为v
z
＝0；
[0022]假设3：简化泵腔几何单元内沿轴向方向的压力p分布为一常数。
[0023]本专利技术的一种高速离心泵轴向力平衡结构及其预测方法，其通过第一凹槽、轴向力调节部和/或第一连通孔和/或第二连通孔、第三连通孔的设计，能够有效地平衡离心泵
的轴向力，从而提高泵运行的稳定性、使用寿命。该预测方法在二维转子
‑
定子腔理论的基础上，额外考虑了叶轮的动态反作用力和诱导轮叶片的轴向力对整体轴向推力的影响，能够简化模型处理过程、降低计算成本且具备相当的计算精度，从而缩短高速离心泵设计周期。
附图说明
[0024]图1为本专利技术高速离心泵轴向力平衡结构结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速离心泵轴向力平衡结构，离心泵包括蜗壳(1)、叶轮(2)、转轴(3)、诱导轮(4)，蜗壳的腔内安装有叶轮，叶轮、诱导轮安装于转轴上，蜗壳包括前泵壳(11)、后泵盖(12)，叶轮包括前盘(21)、后盘(22)、叶片，多个叶片沿周向分布并连接于前盘与后盘之间，后盘的外侧设置有密封环，其特征在于：平衡结构包括第一凹槽(13)、轴向力调节部(14)，第一凹槽设置于后泵盖，第一凹槽为环形凹槽，第一凹槽内设置有多个轴向力调节部，多个轴向力调节部沿周向分布，第一凹槽位于密封环的径向外侧。2.如权利要求1所述的一种高速离心泵轴向力平衡结构，其特征在于，所述轴向力调节部(14)的截面呈梯形结构或三角形结构，梯形结构的长底位于径向外侧，短底位于径向内侧，且轴向力调节部的轴向宽度小于第一凹槽(13)的轴向深度。3.如权利要求2所述的一种高速离心泵轴向力平衡结构，其特征在于，所述密封环包括第一密封环(26)、第二密封环(27)，后泵盖(12)上设置有第二凹槽(16)、第三凹槽(17)，第一密封环配合/匹配于第二凹槽内，第二密封环配合/匹配于第三凹槽内，后泵盖上设置有第一连通孔(15)，第一连通孔一端连通于第一凹槽(13)，另一端连通于第二凹槽。4.如权利要求3所述的一种高速离心泵轴向力平衡结构，其特征在于，所述第一密封环(26)上设置有第二连通孔(28)，第二密封环(27)上设置有第三连通孔(29)，第二连通孔分别连通第一密封环的径向两侧，第三连通孔分别连通第二密封环的径向两侧，且第二连通孔位于第二凹槽(16)内，第三连通孔位于第三凹槽(17)内。5.如权利要求4所述的一种高速离心泵轴向力平衡结构，其特征在于，所述第一密封环(26)具有轴向长度L1，第二密封环(27)具有轴向长度L2，L2＝(0.6
‑
0.8)L1；第一密封环具有径向宽度H1，第二密封环具有径向宽度H2，H2＝(0.6
‑
0.8)H1；轴向力调节部(14)具有径向宽度H3，H3＝(1.5
‑
2.5)H1。6.如权利要求5所述的一种高速离心泵轴向力平衡结构，其特征在于，所述叶片包括多个第一叶片(23)、多个第二叶片(24)，第一叶片为长叶片，第二叶片为短叶片，叶轮上还设置有平衡孔(25)；在径向方向上，从径向内侧至径向外侧，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓俊，林言丕，朱祖超，陈波，张成龙，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：