一种调整屏蔽泵轴向力的新方法研究（屏蔽泵轴向力不平衡原因）

引言

屏蔽泵结构通常采用调节平衡孔和后密封口环结构来平衡转子的轴向力,这也是水泵设计中常用的一种平衡轴向力的方法。该方法是在屏蔽泵设计之初,通过初步估算,设定较大的后密封口环直径,在性能调试阶段,通过专用工装测试轴向力,并根据测试结果增大叶轮平衡孔直径,降低叶轮后盖板压力,进而将轴向力降至一定范围之内。

一种调整屏蔽泵轴向力的新方法研究（屏蔽泵轴向力不平衡原因）

可以说,通过这种方法调整轴向力成本低、见效快,对常规屏蔽泵确实为一种经济高效的方法。但针对叶片扭曲较大、叶片数量较多的叶轮,平衡孔直径受限,相应地通过增大平衡孔直径来降低轴向力的方法明显受限。

韩志秋、黄滨滨在大流量扭曲式叶片屏蔽泵轴向力调节中提出了在原有平衡孔一后密封口环结构下,增设平衡板,原理相当于通过在叶轮背面增加后叶片的方法实现轴向力平衡,但增加平衡板会增加流动损耗和屏蔽泵零件数量,增加结构复杂性,降低可靠性。

李伟、施卫东等在屏蔽泵轴向力平衡新方法中提出相近的通过增加副叶轮等方法平衡轴向力,平衡轴向力结果明显,但该结构也是从大幅度更改屏蔽泵结构的角度出发的。

增加副叶轮或平衡板等方式会直接影响流动损失,可以说在调试阶段,是通过牺牲效率和流动稳定性来实现轴向力调整的。因此,本文提出了一种调整屏蔽泵轴向力的方法,在轴向力得到调整的同时,能够提高水泵效率,且不降低水泵整体结构的可靠性。

1调整轴向力的方法

通过平衡孔调节轴向力方法的制约因素为通过平衡孔泄漏流体通道的面积受结构制约无法无限制地扩大至理想状态,即叶轮背面压力无法降至预期值。

本文对该问题的解决方法总体思路依然是通过降低叶轮背面压力来降低轴向力,利用冷却水内循环,将冷却水孔从叶轮出口位置移至后口环密封内,冷却水原先从叶轮出口流至水泵叶轮轴端（压力相对最低处）,将冷却水孔移至叶轮后口环密封内后,受冷却水循环的影响,叶轮后密封口环的压力会进一步降低,由于冷却水循环压差更大,原先从叶轮后面泄漏至叶轮进口的流体会优先从新的冷却水循环流走,平衡孔处的流体流向也发生改变,从平衡孔泄漏的流体不再会冲击叶轮内部流动,进而降低了流动损失,整体流动损失降低,效率得到大幅度提升。

该方法最大的特点是冷却水孔移至叶轮后口环密封内后,叶轮背面压力降低不再受平衡孔面积限值的影响,可以根据需要增大平衡孔泄漏量,进而增大轴向力平衡范围。

2案例分析

2.1原方案

对某型屏蔽泵性能和冷却水路径（图1）进行优化设计和分析,该水冷水泵的结构状态如下:平衡孔孔径为8mm,数量7个,冷却水孔孔径为6mm,数量4个,原水泵轴向力为145N,方向指向叶轮进口,受到叶轮结构限值,无法再通过增加平衡孔面积来降低轴向力,水力效率为70%,冷却水流量为2.16m3/h,需要电机冷却水量不小于2m3/h,设计要求为轴向力不大于50N。

图1原方案电机冷却水走向

2.2解决方案

在原有方案的基础上,将前轴承座电机冷却水孔的位置移至后密封内部（图2）,在同一腔体内,电机冷却水和平衡孔处的泄漏流体都是从叶轮出口高压区流入叶轮进口低压区的,从这个角度讲,两者的流动机理是相同的,不同的是电机冷却水孔从相对高压区转移到了相对低压区,经过数值计算,同等电机冷却水孔泄漏面积下电机冷却水流量由2.1m3/h降至1.4m3/h,水力效率提升至81%,轴向力降至-32N,说明将电机冷却水孔移至后密封口环内会降低电机冷却水量,同时从平衡孔泄漏的流体流量大幅度降低,水力效率大幅度提升,并且轴向力大幅度降低,说明该方法有效可行。

图2新方案电机冷却水走向

在上述方案中,将电机冷却水孔面积调整至8mm,数量改为8个,叶轮平衡孔面积减至4mm,经过数值计算发现,轴向力变为35N,满足不大于50N的设计要求,电机冷却水量上升至2.08m3/h,能够满足电机冷却水量需要,此时的水力效率为79%,说明增加冷却水量相当于增加了流动损失,水力效率略受影响,但相对原始方案,调整后的方案水力效率提升9%,并且大幅度降低了轴向力,同时整体结构的可靠性没有降低,在设计阶段,解决了轴向力平衡的问题,在调试阶段只要通过略调整冷却水孔的面积来调整轴向力。

3结语

本文提出了一种调整屏蔽泵轴向力的方法,在设计阶段,通过准确计算轴向力及电机冷却水量,利用冷却水循环有效降低了轴向力,使轴向力调节不再受叶轮平衡孔面积限值的影响,同时大幅度提升了水泵效率。