【doc】 离心杂质泵副叶轮密封装置的设计

【doc】 离心杂质泵副叶轮密封装置的设计 离心杂质泵副叶轮密封装置的设计 18FLUIDMACHINERYVo1.33,No.8,2005 文章编号:1005---0329(2005)08—伽l8—03 离心杂质泵副叶轮密封装置的设计 刘建华,赵万勇,吴治将 (兰州理工大学,甘肃兰州730050) 摘要:提出了副叶轮密封这一有效的密封装置,解决了杂质泵密封问 题,而对轴承的损坏却很少研究.为了既保证 密封lill改善轴承的运行条件,作者根据潜污泵的开发经验,提出了考 虑轴向力因素前提下设计副叶轮密封装置的设计 方法,利用该方法设计的副叶轮密封装置达到了预期的结果. 关键词:密封;副叶轮;背叶片 中图分类号:TB42文献标识码:A Design~Seal?instalationofAssociateImpellerinCen~irugalImpurityPump LIUJian—hua,ZHAOWan—yong,WUZhi—jiang (Lan~ouUniversityofScienceandTechnology,I~lzhou730050,China) Abstract:Formanyyears,anU/llberofresearcheshavebeengiventosealelement,andadvancedtheapplicationofseal—instalationof associateimpeller,whichimprovesthesealpreferencegreatly.Howeverfewr esearchersconcemonspoiledgears.whetherCanwefounda waytoresolvethebothmentionedaboveatthesametime.SoIofferanewtodesi gnseal—instalationofassociateimpelleraccordingtoex— pefienceindevelopingsubmarinswedgepumps,whichconsidestheeffectio nofaxialforce.Itwasturnedouttobefeasible. Keywords:seal;associatedimpeller;associatedVaFle 符号 &——密封环半径,m 风——轮毂半径,m —— 理论扬程,m —— 势扬程,m p——介质密度,kg/m3 D2——叶轮外径,m 6——叶轮后盖板厚度,rn —— 背叶片外径,m s——叶片厚度,m —— 背叶片间隙,m —— 泵扬程,m —— 背叶片内径,m n——泵转速,r/min —— 降压系数 艿,——副叶轮间隙,m —— 泵角速度,rad/s 收稿日期:20o4一l1—01修稿日期:2o05—01—06 D,——副叶片内径,m1 fJr-——苗0叶片夕径,m 62——副叶轮光盘面厚度,m .——液体流入叶轮的轴面流速,m/s —— 背叶片产生的逆压头,m —— 副叶轮产生的逆压头,m —— 常数,=0.850.9 广副叶轮叶片高,m 2——液体流出叶轮的轴面流速,m/s e2——2与叶轮出口轴线间的夹角 /v1,/v2——功率消耗系数 1概述 输送含固体颗粒的杂质泵的使用中密封和轴 承是最常损坏的易损件,一旦密封失效就会影响 泵的工作性能,严重时会使泵无法运行;而轴承一 2005年第33卷第8期流体机械19 旦损坏泵就无法运行. 作者根据多年研究潜污泵的经验,提出了在 考虑改善轴承运行条件(设法减少轴向力对轴承 的影响等)的前提下设计副叶轮密封装置的方法. 该方法用于多个规格的潜污泵的副叶轮密封装置 设计都达到了预期的结果. 2背叶片设计 小型泵副叶轮密封装置的设计中不考虑轴向 力是可行的,但对叶轮名义直径>160ram大型泵 而言,轴向力对泵运行(如泵轴承寿命)有较大的 影响,在设计中必须考虑. 副叶轮密封装置包括背叶片,固定导叶和副 叶轮.其密封装置结构如图1所示. 图1副叶轮密封装置结构不意 背叶片和后盖板实际上组成了一个半开式叶 轮,该叶轮产生的扬程不仅起封堵介质的逆压作 用,而且还可以降低后泵腔的压力起平衡轴向力 的作用,在杂质泵中已用作平衡轴向力的重要手 段.同时还有阻挡或减少颗粒进入密封腔的功 能. 2.1轴向力的计算 泵在运转中转子上作用着轴向力,该力将拉 动转子轴向串动,如串动量过大,会导致转子部件 和定子的磨擦,从而影响泵正常运行,严重时会使 泵无法运转.泵转子上的轴向力主要由如下分力 组成:(1)由于叶轮前,后盖板不对称产生的轴向 力Al,方向:指向叶轮进口;(2)动反力A2(液流流 经叶轮时由于液流方向改变而产生的液流对叶轮 的作用力),方向:指向后盖板;(3)转子重量引起 的轴向力,与转子的布置方式有关.各分力计算 为: (1)分力Al计算… 对闭式离心杂质泵叶轮: A.:([一(R2一)] 对开式离心泵: Al=(一磁)一l不P~d/~(;一i) 一 (R2一R)[一专(2一R)] (2)动反力A2[.j A2=pQ(0一Vm2COSE2) (3)转子重量G 对立式泵转子重量G(N)也是轴向力的一部 分. (4)总轴向力A A=Al—A2+G (5)背叶片平衡的轴向力F… 加上背叶片后,背叶片强迫后泵腔的液体旋 转从而改变叶轮后盖板上的压力分布而达到平衡 的轴向力的目的,则: F=[()一1](一) 要达到实现轴向力平衡只须满足:A:F,只 要确定了轮毂半径,叶片厚度S和间隙t,则 可确定背叶片外径D,.间隙t越小则平衡能力 越大,但要满足加工工艺的要求,一般取t=0.5 , 2mm,叶片高度对功率消耗有一定的影响,s=5 , 10mm. 2.2叶片形状和叶片数 ‘ 叶片形状有径向直叶片和后弯叶片两种,后 弯叶片对封压能力略有增加,但不明显,一般推荐 取径向直叶片,叶片数一般取4,10片,通常取4 , 6片. 3副叶轮设计 常见的副叶轮多是一个半开式离心叶轮,其 产生的扬程也起封堵介质的逆压作用.密封装置 要实现零泄漏应满足无泄漏密封条件,即Ho=Hb +,即泵产生的压头与背叶片产生的逆压 值和副叶轮产生的逆压值之和达到相对平 衡,所以副叶轮和背叶片设计时的逆压必须根据 泵产生的正压值来确定,这就要求必须正确估计 泵产生的正压值;若正压值估计过高,由此设计的 20FLUIDMACHINERYVo1.33,No.8,2005 动密封将会使空气吸入泵内,而影响泵的性能;若 正压值估计过低,由此设计的动密封将不能阻止 介质泄漏,密封装置的逆压值应略大于泵扬程才 能保证泵工作时没有泄漏.一般取Ho=1.05H2. 3.1副叶轮外径的计算 (1)背叶片产生的逆压值J nb=()[(一)+(1+)(D一Di)] (2)副叶轮产生的逆压值r_2 2 : k(;一孵) g21 副叶轮间隙r和副叶轮叶片高度tr对封压 能力和功率消耗的影响较大,径向间隙e对封压 能力的影响没有轴向间隙影响大,可适当取大些. 一 般取t,=5,30r~n,3f=1,5n1n1e=3,5n1n1, 通常取,=2—3mm.只要得到副叶轮内径D,, 即可计算出副叶轮外径. 3.2叶片形状和叶片数 和背叶片相似,叶片形状有径向直叶片和后 弯叶片两种,后弯叶片对封压能力略有增加,但不 明显,一般推荐取径向直叶片.增加叶片数可以 增加封压能力,但消耗功率,超过8片后对封压能 力的影响不明显,故通常取6,8片. 3.3固定导叶的设计 固定导叶的作用是阻止液体旋转,消除副叶 轮光面升压的影响可以提高封压能力,当无固定 导叶时副叶轮光面的液体以w/3的角速度旋转, 压力呈抛物线规律分布,因而副叶轮光面轮毂区 压力小于副叶轮外径处的压力;有固定导叶时则 可阻止液体旋转,使副叶轮光面轮毂区压力接近 于副叶轮外径处的压力,从而提高封压能力[引. 试验明有固定导叶时可提高封堵能力15%以 上_4J.所以副叶轮前应配置固定导叶,以消除副 叶轮光面升压的影响,通常取固定导叶叶片厚度 为5,20mm,叶片数4,10,固定导叶与副叶轮光 面间的间隙为1,2mm,副叶轮径向间隙为1, 3mm.间隙加大副叶轮消耗的功率增大,此时沿 外径处的动量交换和液体磨擦力矩加大,可以在 叶轮外径处加帽沿以减少功率消耗_5_5. 4功率消耗 (1)背叶片的功率消耗 在无泄漏条件下,背叶片流道可视为无径向 流,其功率消耗主要为圆盘损失?6[]: =N1.[7l”2+不D(s+6)] (2)副叶轮的功率消耗 =?zPJ.[47r,22+死(62+)] 5实例计算 以潜污泵Qw5o-4o.15的密封设计为例,其参 数:流量Q=50m3/h,扬程H=40m,功率N= 15kW,转速n=1450r/rain,效率77=51%,介质密 度p=1000kg/m3.根据泵抽送的介质条件密封 装置采用副叶轮密封装置.设计结果如下: 叶轮外径D,=340ram. 背叶片结构参数:外径D=280mm,采用径 向直叶片,叶片数=6,叶片厚t=5mm,轮毂直 径D–65mm. 副叶轮结构参数:叶片数=8,采用径向直 叶片,叶片厚t=10mm,副叶轮光盘面厚b2= 8mm,副叶轮外径Df=260mm,副叶轮内径D,一==一 1 80mm. 背叶片消耗功率Nb=0.598kW,副叶轮消耗 功率?,=0.74kW,计算效率和无背叶片与副叶轮 时相比效率降低了8%. 1998年5月经新乡水泵厂测试台(即河南省 泵测试中心)测试,无背叶片与副叶轮时效率为 57%,带有背叶片与副叶轮时效率为50%,经新 乡市政处使用3个月后,密封良好,无明显泄 漏现象,且轴承运行平稳. 6结语 (1)在设计副叶轮密封装置同时考虑轴向力 和封压能力.以平衡轴向力为主设计背叶片,然 后以背叶片为基础设计副叶轮的设计方法是可行 的. (2)副叶轮密封装置功率消耗较大会使泵的 运行效率降低且增加能耗;但对杂质泵而言,密封 和轴承的运行对泵的正常运行更为关键. 参考文献: [1]关醒凡.泵的原理与设计[M].北京:机械工业出版 社,1987.225—235. (下转第54页) FLUIDMACHINERYVo1.33,No.8,2005 升高的潜力.如图7所示,可以看到在白天联合 供冷时段,三通阀在恒定工况时的直通开度只有 6o%左右,故可以进一步开大阀门. 然而在优化工况下,三通阀的直通开度 基本保持在接近上限的范围内.在联合供冷阶 段,恒定工况时冷机的出水温度较低,由于蓄冰槽 的出水温度也较低,蓄冰槽和冷机混合后的温度 也较低,就会需要大量回水的再循环,造成能量浪 费.而在优化工况下,冷机的出水温度都可 以得到一定程度的提高(如图8所示),这对冷机 侧节能非常有利.由于提高了冷机的出水温度, 三通阀保持尽可能大的开度,使得旁通回路再循 环流量减少,系统较为节能. 表1是恒定工况和优化工况下系统各部分的 能耗比较情况.可以看出,优化工况下,节能 主要表现在冷机侧,节能的幅度也比较大,其总能 耗节约了7%左右. 表1恒定工况与优化工况下能耗比较 项目冷机冷却塔冷却水泵初级泵一细泵总能耗 恒定工况能耗比较(kW?h)12683.83884.6l.991376.8523l2.O5l9663.33 能耗(kW?h)ll495.54785.392321.0l1383.262308.75l8293.95优化 节能(%)9.37l1.223.53—0.470.146.96 4结论 (1)优化控制策略能够实时地根据负荷状况 调整系统的冷机出口温度,系统的运行及控制稳 定可靠; (2)采用了优化控制策略后,系统在优化 工况下较恒定策略情况节能约7%; (3)对于已采用冰蓄冷系统的建筑,实现系统 优化控制的器件都是现成的,无需增加任何设备 和硬件的投资. 参考文献: [1]Wumw,h~DR,Keepthechilledwatersupplytempera. tureashighaspossible[M].EnergyEfficiencyManual, 1999. [2JFuLin,JiangYi,YuanWeixing,QinXuzhong.Influence ofsupplyandreturnwatertemperaturesontheenergycon? sumptionofadistrictcoolingsystemlJJ.AppliedThermal Engineering,2001,21:511-521. 13JGordonJM,NgKC,ChuaHT.Optimizingchilleropera? tionbasedonfinite??timethermodynamics:universalmod?? elingandexperimentaleonfirmation.InternationalJoumal ofRefrigeration[J].1997,20(3):191.200. [4]晋欣桥.变风量空调系统的仿真及其实时优化控制 研究[D].上海交通大学,1999. [5]刘培俊,晋欣桥,肖晓坤,孙勇.管内融冰式冰蓄冷 空调系统的动态仿真[A].2003上海市制冷学会年 会论文集[C].上海,2003.156-160. 作者简介:刘培俊(1980一),男,硕士研究生,研究方向为冰蓄 冷仿真与优化,通讯地址:200030上海市上海交通大学制冷及低 温工程研究所. (上接第2O页) [2]黄先培.砂泵轴封的改进[J].石油机械,1998,26 (10):42.44. [3]刘甲凡.离心泵副叶轮密封的计算和结构参数的选 择[J].水泵技术,1996,(3):44.46. [4]湘潭大学流体密封科研组.副叶轮封压能力的研究 [J].水泵技术,1983,(4):l8.23. [5]顾永泉.流体动密封[M].北京:石油大学出版社, 1990.懈448. [6]戈鲁别夫AM.断面密封与动力密封[M].北京:燃 料化学出版社,1975. 作者简介:刘建华(1969一),工程师,硕士研究生,通讯地址 730050甘肃兰州市兰州理工大学流体动力与控制学院