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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2024, Vol. 58 Issue (8): 1577-1584    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.08.005
机械工程、能源工程     
屏蔽式离心泵浮动叶轮轴向力平衡方法
王鑫1(),吴一帆2,吴成硕1,武鹏1,*(),杨帅1,吴大转1
1. 浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310027
2. 中国船舶集团有限公司 第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650118
Axial force balance method for floating impeller of shielded centrifugal pump
Xin WANG1(),Yifan WU2,Chengshuo WU1,Peng WU1,*(),Shuai YANG1,Dazhuan WU1
1. College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2. Kunming Branch of the 705th Research Institute of China State Shipbuilding Corporation Limited Company, Kunming 650118, China
 全文: PDF(2209 KB)   HTML
摘要：

为了实现屏蔽泵离心叶轮轴向力平衡，设计浮动叶轮轴向力自平衡结构，借助全流道三维数值模拟手段，研究浮动叶轮的轴向力平衡作用机理和影响因素. 在对数值模拟方法进行试验验证的基础上，开展针对不同工况下叶轮不同轴向位置轴向力的数值计算. 数值模拟结果表明，在同一流量工况下，在叶轮浮动范围内，当叶轮向泵入口方向移动时，泵前腔泄漏量减小，扬程和效率增大，且越靠近入口，对泵的性能影响越显著. 轴向力呈现先减后增的趋势，在远离入口时方向指向泵入口，在靠近入口时，叶轮轴向力迅速增大，实现反向，指向泵出口，帮助叶轮停止向入口移动，这种轴向力变化趋势可以使叶轮在工作时始终处于浮动状态，实现轴向力自平衡.
关键词： 离心泵;  浮动叶轮;  轴向位置;  轴向力    
Abstract:

A floating impeller design with axial force self-balancing capability was proposed to balance the axial force of the centrifugal impeller of the shielded pump. The mechanism and influencing factors of the axial force balance were analyzed through three-dimensional numerical simulation of the full flow path. Numerical calculations were conducted under various operating conditions and impeller positions after validating the simulation method. Results show that leakage decreases, head and efficiency increase when moving towards the inlet within the impeller’s floating range. The closer towards the inlet, the more significant impact on the pump performance is. The axial force initially decreases but then increases. The direction points to the pump inlet when it is far from the inlet. The impeller axial force increases rapidly to realize the reverse when it is close to the pump inlet, pointing to the pump outlet and helping the impeller stop moving to the inlet. This trend of axial force change can make the impeller always be in a floating state when working and realize the axial force self-balancing.
Key words: centrifugal pump    floating impeller    axial position    axial force
收稿日期: 2023-07-07 出版日期: 2024-07-23
CLC:  TH 311  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51839010）.
通讯作者: 武鹏     E-mail: 22127040@zju.edu.cn;roc@zju.edu.cn
作者简介: 王鑫（1998—），男，硕士生，从事流体机械水力优化设计的研究. orcid.org/0009-0000-6257-9757. E-mail：22127040@zju.edu.cn
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王鑫
吴一帆
吴成硕
武鹏
杨帅
吴大转

引用本文:

王鑫,吴一帆,吴成硕,武鹏,杨帅,吴大转. 屏蔽式离心泵浮动叶轮轴向力平衡方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2024, 58(8): 1577-1584.

Xin WANG,Yifan WU,Chengshuo WU,Peng WU,Shuai YANG,Dazhuan WU. Axial force balance method for floating impeller of shielded centrifugal pump. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2024, 58(8): 1577-1584.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2024.08.005    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2024/V58/I8/1577

图 1  浮动叶轮结构的示意图
图 2  循环回路的示意图
图 3  泵主要结构的三维模型
参数数值
比转速${n_{\mathrm{s}}}$61
叶轮入口直径${D_1}/{{\mathrm{mm}}} $22
叶轮出口直径${D_2}/{{\mathrm{mm}}} $60
叶轮出口宽度${b_2}/{{\mathrm{mm}}} $2
叶片数${Z_1}$ (长+短)
叶片包角$\varphi /(^\circ) $
叶片厚度$t/{{\mathrm{mm}}} $		5+5
120
1
导叶数${Z_{\mathrm{g}}}$13
背叶片数${Z_2}$4
背叶片高度$H/{{\mathrm{mm}}} $13
背叶片宽度$W/{{\mathrm{mm}}} $3
背叶片厚度$T/{{\mathrm{mm}}} $1.65
叶轮轴向浮动范围$d/{{\mathrm{mm}}} $0.8
表 1  泵的主要参数
图 4  泵计算域模型
计算域N/${10^6}$网格类型
进口段0.33非结构化
前盖板间隙1.40结构化
叶轮1.10结构化
背叶片
导叶		1.74
1.91		非结构化
结构化
后盖板间隙1.37结构化
出口段0.96非结构化
表 2  网格划分情况
图 5  泵的主要部件网格
图 6  网格无关性验证
图 7  模型泵测试平台
项目精度量程
进口压力表$ \pm 0.01{\text{%}} $$ - 0.1 \sim 0{\text{ }}{{\mathrm{MPa}}} $
出口压力表$ \pm 0.01{\text{%}} $$0 \sim 0.25{\text{ }}{{\mathrm{MPa}}} $
流量计$ \pm 0.3{\text{%}} $$0 \sim 5{\text{ }}{{{\mathrm{m}}} ^3}/{\mathrm{h}}$
转速$ \pm 0.5{\text{%}} $$500 \sim 40{\text{ }}000{\text{ }}{{\mathrm{r}}} /{\mathrm{min}}$
电压$ \pm 1.5{\text{%}} $$10 \sim 300{\text{ }}{{\mathrm{V}}} $
电流$ \pm 1.5{\text{%}} $$0 \sim 5{\text{ }}{{\mathrm{A}}} $
表 3  测量仪表的量程及精度
图 8  水力性能模拟与试验对比曲线
图 9  叶轮轴向相对位置的示意图
图 10  前口环泄露质量流量与叶轮轴向位置的关系曲线
图 11  泵水力性能参数与叶轮轴向位置的关系曲线
图 12  叶轮轴向合力与轴向位置关系的曲线
图 13  叶轮各部分轴向力分布表面
图 14  不同工况下的叶轮轴向力分量
图 15  间隙内监测线位置
图 16  不同工况下的前、后盖板间隙静压分布
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