新型轴向力平衡装置平衡原理的理论分析
摘要
在水利水电、航空航天以及化工和环保行业中，泵的应用非常广泛，发挥着巨大的作用，而且其应用范围正在迅速扩大。所以，提高泵类产品的技术指标，对于节约能源，保证生产的安全以及提高经济效益都具有十分重要的意义。长期以来，国内外专家学者一直致力于提高泵的效率和抗汽蚀性能等方面的研究，而对于泵在运转过程中产生的轴向力问题却没有引起足够的重视。从大量的文献资料中不难发现，现有的轴向力平衡装置的应用范围和平衡能力都受到一定程度的限制，而且轴向力计算公式方面的研究也一直是泵设计中的薄弱环节。
鉴于此，作者首先阐述了研究泵轴向力的重大意义，探讨了轴向力产生的原因，全面分析了传统的轴向平衡方法，并详细介绍了轴向力平衡装置的最新研究进展和现有轴向力计算公式的概况。
针对现有的各种平衡装置的缺点和不足，作者从一个崭新的角度，巧妙利用了轴向间隙流在旋转过程中产生的离心力，提出了一种新型的轴向力平衡装置。
为了分析新型轴向力平衡装置间隙的内部流动，建立了径向间隙和轴向间隙内部的流动数学模型，并应用粘性不可压缩流体的纳维—斯托克斯方程和流体的连续性方程，推导出了两间隙进出口压力差和泄漏量的关系式，进而得出平衡装置间隙内部的压力分布规律。
根据叶轮入口处、前后盖板和轴向间隙内部的受力，分析了新型轴向力平衡装置的平衡原理。
最后，针对某一工程实例，计算出了安装新型轴向力平衡装置后轴向力的大小，并与开平衡孔平衡轴向力的方法做定量的比较，验证新型轴向力平衡装置的平衡能力。
In many trades such as irrigation works and hydroelectric station, aviation and space flight, chemical industry and environment protecting, pumps are applied very extensively and play a very important role. So, to improve technological index is greatly significant for saving energy, ensuring production and raising economic benefit. For a long time, experts and scholars both at home and abroad have always devoted themselves to raising pumps' lift, efficiency and reducing its NPSHr, while they neglected the study of axial thrust. And very few people devoted deep exploration in reducing axial thrust and improving pumps' stability. In view of side effects from axial thrust, comprehensive and detailed analysis are made in this paper.
Firstly, the great significance of studying pumps' axial thrust will be stated with clarity, and traditional balance methods will be comprehensively analyzed. Also, the latest research progress of balance device and calculative formula will be retrospected and discussed detailedly.
Secondly, a new type of balance device will be proposed, and pressure distribution laws will also be discussed deeply in pumps' chamber.
Thirdly, mathematic model of flowing fluid will be established in both radial gap and axial gap, and the pressure distribution laws will also be concluded in these two gaps.
Fourthly, pressure distribution drawing will be made in entrance and cover board of pumps and axial gap of balance device. Also, the balance principle of this new type of balance device will be deeply analyzed.
Finally, this new type of balance device will be applied to a realistic situation, and the value of remaining axial thrust will be calculated. To show its advantages, this new type of balance device will be compared with other ones.
鉴于此，作者首先阐述了研究泵轴向力的重大意义，探讨了轴向力产生的原因，全面分析了传统的轴向平衡方法，并详细介绍了轴向力平衡装置的最新研究进展和现有轴向力计算公式的概况。
针对现有的各种平衡装置的缺点和不足，作者从一个崭新的角度，巧妙利用了轴向间隙流在旋转过程中产生的离心力，提出了一种新型的轴向力平衡装置。
为了分析新型轴向力平衡装置间隙的内部流动，建立了径向间隙和轴向间隙内部的流动数学模型，并应用粘性不可压缩流体的纳维—斯托克斯方程和流体的连续性方程，推导出了两间隙进出口压力差和泄漏量的关系式，进而得出平衡装置间隙内部的压力分布规律。
根据叶轮入口处、前后盖板和轴向间隙内部的受力，分析了新型轴向力平衡装置的平衡原理。
最后，针对某一工程实例，计算出了安装新型轴向力平衡装置后轴向力的大小，并与开平衡孔平衡轴向力的方法做定量的比较，验证新型轴向力平衡装置的平衡能力。
In many trades such as irrigation works and hydroelectric station, aviation and space flight, chemical industry and environment protecting, pumps are applied very extensively and play a very important role. So, to improve technological index is greatly significant for saving energy, ensuring production and raising economic benefit. For a long time, experts and scholars both at home and abroad have always devoted themselves to raising pumps' lift, efficiency and reducing its NPSHr, while they neglected the study of axial thrust. And very few people devoted deep exploration in reducing axial thrust and improving pumps' stability. In view of side effects from axial thrust, comprehensive and detailed analysis are made in this paper.
Firstly, the great significance of studying pumps' axial thrust will be stated with clarity, and traditional balance methods will be comprehensively analyzed. Also, the latest research progress of balance device and calculative formula will be retrospected and discussed detailedly.
Secondly, a new type of balance device will be proposed, and pressure distribution laws will also be discussed deeply in pumps' chamber.
Thirdly, mathematic model of flowing fluid will be established in both radial gap and axial gap, and the pressure distribution laws will also be concluded in these two gaps.
Fourthly, pressure distribution drawing will be made in entrance and cover board of pumps and axial gap of balance device. Also, the balance principle of this new type of balance device will be deeply analyzed.
Finally, this new type of balance device will be applied to a realistic situation, and the value of remaining axial thrust will be calculated. To show its advantages, this new type of balance device will be compared with other ones.
引文
[1] Dautherty, R.L., Centrifugal Pump, McGraw—Hill Book Co., Inc., NewYork, 1915
[2] Stepanoff, A. J., Centrifugal and axial flow pumps, 1958, John Wiley and Sons, Inc.,NewYork.
[3] 洛马金．A．A．，离心泵与轴流泵，梁厚荣译，北京：机械工业出版社，1978，142—170
[4] 丁成伟，离心泵与轴流泵，北京：机械工业出版社，1981，163—166
[5] 特罗斯科兰斯基．A．T，叶片泵计算与结构，耿慧彬译，北京：机械工业出版社，1981，180—186
[6] Konno, D. and Ohno, T., Experimental research on axial thrust loads of double suction centrifugal pumps, Radial Loads and Axial Thrusts on Centrifugal Pumps. 1986 Sponsored by:Inst of Mechanical Engineers, Power Industries Div, Fluid Mechinery Committee, London, Engl Mechanical Engineering Publ Ltd: 65—72
[7] 关醒凡，泵的理论与设计，机械工业出版社，1987．2，148
[8] 马威，邹立莉，屏蔽电泵轴向力自动平衡装置的研究，Vol．30，No．5，2002
[9] 贺琪华，汪嘉敏，梁树珍 用背叶片平衡多级离心泵轴向力的试验研究水泵技术，1996，3：22—25
[10] 劳松欢，水泵平衡盘结构的研究，水泵技术，1986，8，15
[11] 李多民，离心泵轴向力的计算与平衡方法，Vol．30，No．6，2002
[12] 张克危，流体机械原理，机械工业出版社，2001．7
[13] 杨瑞，多级离心稠油泵轴向力平衡装置流体机械1999，6：713—715
[14] 朱祖超，高速离心泵轴向力平衡方法研究工程热物理学报2000，11：713—715
[15] 张俊生等，多级离心泵平衡盘的新结构—阀门活塞式平衡盘 水泵技术1987，2：1—7
[16] 阮志坤，周淑萍，浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力的原理和实践水泵技术2002，5：29—32
[17] Kurokawa, J.,A new device to control axial thrust of radial flow turbomachinery, Bulletin of the JSME, Vol 19, No. 128, February,1976:110—117
[18] Marjan, G., Dusan, F. and Brane, S.,Hydraulic axial thrust in multistage
pumps—origins and solutions, Proceedings of ASME FEDSM' 01, ASME 2001 Fluids Engineering Divion Summer Meeting, New Orleans, Lousiana, May 29—June 1:2001
[19] 崔巍，多级离心泵输送渣浆时的轴向力分析及技术改进，煤炭学报，2000，2：100—104
[20] 张文达，罗闻，许洪元 离心泵轴向力的研究进展 中国流体机械技术2002，10：370
[21] 刘在伦，潜水泵轴向力平衡的新方法，排灌机械，2002，2
[22] 汪细权，屏蔽泵轴向力的自动平衡方法 水泵技术2002，2：24—26
[23] 闻苏平，朱报桢，苗永森，高压离心压缩机轴向推力的计算，西安交通大学学报，Vol．32 No．11 Nov．1998
[24] 黄钟岳，高压离心式压缩机轴向推力的分析，化工技术，1981．2，5—12
[25] 高红俐，杨继隆，叶力，史俊友，分段式多级离心泵的轴向力计算，水泵技术，2002．2，8—12
[26] K. AHMAD, P.J.LIDGITT, H. DICKSON, Radial loads and axial thrusts on Centrifugal pumps, IME, London, 5 Feb. 1986
[27] 吴达人，泵与风机，西安交通大学出版社，1989，8，150
[28] 江宏俊，流体力学，西安交通大学流体力学教研室编，上册，1985，4，139—140
[29] 陈卓如，工程流体力学[M]，高等教育出版社，1992
[30] 汪云英，张湘亚，泵和压缩机，石油工业出版社，1985，7，275
[31] 顾永泉，流体力学密封[M]，石油大学出版社，1990，1～146
[32] 齐学义，张凤羽，卧式火轮发电机组主轴旋转密封泄漏量的计算[J]，甘肃工业大学学报，1989，15(2)：18～27
[2] Stepanoff, A. J., Centrifugal and axial flow pumps, 1958, John Wiley and Sons, Inc.,NewYork.
[3] 洛马金．A．A．，离心泵与轴流泵，梁厚荣译，北京：机械工业出版社，1978，142—170
[4] 丁成伟，离心泵与轴流泵，北京：机械工业出版社，1981，163—166
[5] 特罗斯科兰斯基．A．T，叶片泵计算与结构，耿慧彬译，北京：机械工业出版社，1981，180—186
[6] Konno, D. and Ohno, T., Experimental research on axial thrust loads of double suction centrifugal pumps, Radial Loads and Axial Thrusts on Centrifugal Pumps. 1986 Sponsored by:Inst of Mechanical Engineers, Power Industries Div, Fluid Mechinery Committee, London, Engl Mechanical Engineering Publ Ltd: 65—72
[7] 关醒凡，泵的理论与设计，机械工业出版社，1987．2，148
[8] 马威，邹立莉，屏蔽电泵轴向力自动平衡装置的研究，Vol．30，No．5，2002
[9] 贺琪华，汪嘉敏，梁树珍 用背叶片平衡多级离心泵轴向力的试验研究水泵技术，1996，3：22—25
[10] 劳松欢，水泵平衡盘结构的研究，水泵技术，1986，8，15
[11] 李多民，离心泵轴向力的计算与平衡方法，Vol．30，No．6，2002
[12] 张克危，流体机械原理，机械工业出版社，2001．7
[13] 杨瑞，多级离心稠油泵轴向力平衡装置流体机械1999，6：713—715
[14] 朱祖超，高速离心泵轴向力平衡方法研究工程热物理学报2000，11：713—715
[15] 张俊生等，多级离心泵平衡盘的新结构—阀门活塞式平衡盘 水泵技术1987，2：1—7
[16] 阮志坤，周淑萍，浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力的原理和实践水泵技术2002，5：29—32
[17] Kurokawa, J.,A new device to control axial thrust of radial flow turbomachinery, Bulletin of the JSME, Vol 19, No. 128, February,1976:110—117
[18] Marjan, G., Dusan, F. and Brane, S.,Hydraulic axial thrust in multistage
pumps—origins and solutions, Proceedings of ASME FEDSM' 01, ASME 2001 Fluids Engineering Divion Summer Meeting, New Orleans, Lousiana, May 29—June 1:2001
[19] 崔巍，多级离心泵输送渣浆时的轴向力分析及技术改进，煤炭学报，2000，2：100—104
[20] 张文达，罗闻，许洪元 离心泵轴向力的研究进展 中国流体机械技术2002，10：370
[21] 刘在伦，潜水泵轴向力平衡的新方法，排灌机械，2002，2
[22] 汪细权，屏蔽泵轴向力的自动平衡方法 水泵技术2002，2：24—26
[23] 闻苏平，朱报桢，苗永森，高压离心压缩机轴向推力的计算，西安交通大学学报，Vol．32 No．11 Nov．1998
[24] 黄钟岳，高压离心式压缩机轴向推力的分析，化工技术，1981．2，5—12
[25] 高红俐，杨继隆，叶力，史俊友，分段式多级离心泵的轴向力计算，水泵技术，2002．2，8—12
[26] K. AHMAD, P.J.LIDGITT, H. DICKSON, Radial loads and axial thrusts on Centrifugal pumps, IME, London, 5 Feb. 1986
[27] 吴达人，泵与风机，西安交通大学出版社，1989，8，150
[28] 江宏俊，流体力学，西安交通大学流体力学教研室编，上册，1985，4，139—140
[29] 陈卓如，工程流体力学[M]，高等教育出版社，1992
[30] 汪云英，张湘亚，泵和压缩机，石油工业出版社，1985，7，275
[31] 顾永泉，流体力学密封[M]，石油大学出版社，1990，1～146
[32] 齐学义，张凤羽，卧式火轮发电机组主轴旋转密封泄漏量的计算[J]，甘肃工业大学学报，1989，15(2)：18～27
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |