浮动叶轮轴向力自动测试系统研究

张森

浮动叶轮轴向力自动测试系统研究

摘要：在生产实践中，泵的轴向力通常会很大，特别是对于运行条件恶劣或高扬程的多级离心泵，若设计、运行不当，能导致轴承烧毁、轴封损坏、甚至断轴等事故发生。在许多场合下，轴向力过大产生的问题，其严重性已超过了效率、磨损等因素，成为泵能否稳定运行的决定因素。浮动叶轮是将平衡孔与平衡盘集成在叶轮上，浮动叶轮与常规离心泵叶轮结构上区别不大，在泵上容易实现，尤其是多级泵可取消专门的轴向力平衡装置、可使为平衡轴向力采用叶轮对称布置的多级泵复杂结构大大简化。该技术简单易行，不失为解决泵轴向力的一种好的方法，必将在泵的设计和运行中得到广泛的应用。目前的研究主要是对浮动叶轮工作原理和结构的介绍、以及有局限性试验研究。该技术虽在个别泵上使用并证明效果显著可行，但目前还未见对其结构设计及轴向力计算的系统、成熟理论。目前国内还没有能开展系统试验研究离心泵浮动叶轮试验台，致使该技术没有得到广泛应用。

关键词：离心泵；轴向力；浮动叶轮；系统试验台

一、国内外研究现状

1、轴向力产生的原因

一般认为离心泵中的轴向力由下列几方面原因产生:

①  叶轮前、后盖板不对称产生的轴向力,此力指向叶轮吸入口方向；

②  轴台、轴端等结构因素引起的轴向力；

③  转子重量引起的轴向力，与转子的布置方式有关；

④  动反力，此力指向叶轮后面；

⑤  其他因素产生的轴向力。

根据轴向力产生的原因，许多学者就轴向力平衡问题进行了研究。目前通常采用的方法有止推轴承、平衡孔或平衡管、双吸叶轮、背(副) 叶片、叶轮对称布置、平衡盘和平衡鼓等方法来平衡轴向力。

2、轴向力理论计算方法

多年来,轴向力计算一直是离心泵研究领域中的重要课题,而叶轮所受的轴向力是泵轴向力的最主要部分。目前比较普遍应用的方法是确定作用在水泵叶轮两盖板上的压力，这种方法的前提是假定盖板外腔中液体的运动是一元的，作用于相同半径旋转液环上的离心力相同且不同半径上的压差均衡。

目前，国内外专家学者对叶轮轴向力进行了大量研究,并总结出了多种叶轮轴向力计算公式,但这些公式基本上都是经验公式,且存在着许多问题:

①这些公式都是在特定形状和结构条件下试验总结出来的,不具有普遍性，且这些公式一般只能计算泵额定工况点下的轴向力,无法得知其全工况下的轴向力情况；

②采用代数式,很难表达扭曲叶片工作面和背面压力不同产生的轴向力；

③对于叶轮盖板力的求解,盖板外表面的压力分布起决定性的作用；

为此,这些公式大多采用如下假设:

①叶轮密封环以外的高压腔内的液体以盖板角速度的一半旋转,其压力沿径向按抛物线规律分布；

②叶轮密封环以内的液体不旋转,其压力等于叶轮进口压力；

③叶轮盖板两侧液体无泄漏流动。

二、轴向力测试设备研究现状

轴向力的测试方法有直接测试法和间接测试法。

1、直接测试法

直接法测量轴向力的主要特点是将待测的轴向力与其他力学量（如弹簧拉力、砝码重力或液压力等）相平衡，再使用测力装置测试该平衡力，从而得到直观的轴向力数值。

a 、弹簧秤测量装置

该装置基本原理（见图2）：轴承座紧固在定子上不动，轴承套与右轴承座为间隙配合，安装在轴承套内的零件可随转子一起作轴向移动，压盖上接测力拉杆，利用杠杆原理，用弹簧秤进行轴向力测量。当泵运转时，叶轮转子体在轴向力的作用下偏向一端，用外力拉动转子居中，拉力与轴向力相等，测力机构测得的拉力即为轴向力。

b、 液压测力机构

液压测力机构测试轴向力的装置(见图3),该装置由离心泵、静态液压测试装置、电动机和砝码测力机构4部分组成。泵运转时，在泵轴产生的轴向力和液压测力机构所给予的轴向力这两个方向相反力的作用下，达到轴向平衡。由于该装置能够自动消除轴向滑动摩擦力和静摩擦力的干扰，所以液压测力机构作用于泵轴的轴向力正好等于泵腔内运动流体作用于叶轮的轴向力，读出2个静态液压测力系统的压力差，就能得到轴向力的大小。还可用静态液压测力机构和砝码测力机构互相配合测出轴向力，对比两套测力装置的测试结果。

2、间接测量法

间接测量法是在泵轴承受轴向力的适当位置，粘贴应变片或安装压力传感器，通过受力产生的电阻、电流等电信号，经过放大器和A/D转换,由信号采集卡或计算机处理,得到测试结果。国内外对于间接法的研究主要集中在应变片布置方法和压力传感器安装位置上,大体可以分为:在泵体 、轴承座上直接粘贴应变片，安装测力弹性元件，在轴端安装传感器等3种方法：

a、直接粘贴应变片

由于一些离心泵的轴向位置被机械密封占据,没有空间安装测量装置,可以在受到轴向力影响的泵体或者轴承支架等上粘贴应变片；

b、测力弹性元件

在离心泵轴向有一定的安装空间时，可以考虑在轴承的两侧安装轴向测力环，可测量泵轴两个方向的力，径向方向不与泵轴接触（见图4）；

c、安装拉压传感器

根据离心泵的结构,将拉压传感器直接安装在离心泵压盖上,拉力活塞与泵转子部件相连,通过它将轴向力传递给拉压传感器,再将力转换为电信号而测得轴向力。

三、存在的问题

因为浮动叶轮结构的特殊性，国内外对于浮动叶轮轴向力的自动测试系统还仅在理论研究的阶段，目前国内还没有能开展系统试验研究离心泵浮动叶轮模拟试验台，致使该技术没有得到广泛应用。

四、总结

对于任意选择的一个离心泵,应用经验公式分别求解其叶轮轴向力大小,计算结果相差很大。随着数值模拟在水泵中的应用逐渐成熟,基于数值模拟来求解泵的轴向力,可以较好地解决轴向力计算问题。开展系统试验研究离心泵浮动叶轮模拟试验台，可以方便的进行轴向力测试，对数值模拟结果进行很好的校验。

参考文献：

[1] 关醒凡. 泵的理论与设计[M]. 北京:机械工业出版社,1987.

[2]刘在伦. 潜水泵加大叶轮后密封环平衡轴向力的探讨[J]. 机械研究与应用 ,1995(4)：28 ～29

[3] 刘在伦. 潜水泵轴向力平衡的新方法[J]. 排灌机械,2003(2)：90～93

[4] 刘在伦. 浮动叶轮平衡腔内的压力的试验分析[J]. 排灌机械,2007(5)：74 ～76

[5] 张翼飞. 离心泵轴向力的自动平衡法[J]. 水泵技术，2005(4)：27

[6] 贾大伟，于文华. 离心泵轴向力测试方法的研究

[7] 刘在伦等．新型轴向力平衡装置轴向力的计算．农业机械学报，2005:36。

专业：动力工程领域

姓名：张森

学号：122085206010