1离心泵轴向力产生和计算

第一章离心泵一、问答题1．离心泵的扬程是什么意义？其单位是什么？样本上常用单位是什么？两者的关系是什么？2．离心泵的主要过流部件是哪些？对它们的要求是什么？3．离心泵开泵前为什么要灌泵？4．H T∞代表什么意义？在什么假设条件下得到的扬程？5．H T∞与哪些因素有关？为什么说它与介质性质无关？6.介质压力与扬程有何关系？7．Hu u w w c cT∞=-+-+-221212222212222中哪些是静扬程？由什么作用产生的？哪些是动扬程？8．什么叫前弯叶片、径向叶片、后向叶片？用欧拉方程和速度三角形导出理论扬程H T∞与Q T的关系，并画出三种叶片的H QT T∞-曲线()α190=。

9．什么叫反作用度？反作用度大好还是小好？离心泵的反作用度与什么参数有关？前弯、径向及后弯叶片的反作用度如何？10．离心泵中主要是哪种叶片？为什么？βA2大致范围是多少？11．离心泵的排量与哪些结构和工作参数有关？12．有限叶片叶轮中轴向涡流是由与什么原因产生的？轴向涡流对出口及进口速度三角形有何影响？哪个影响是主要的？13．试画出叶片无限多与叶片有限时叶轮出口速度三角形图。

14．滑移系数影响扬程提高是不是由于环流而产生了损失？15．汽蚀的机理如何？有何危害？16．NPSH a的含义是什么？17．NPSH r的含义是什么？18．如何判别是否发生了汽蚀？19．生产中如何提高NPSH a?20．在设计、操作中如何减小NPSH r?21．吸入真空度为何可以表示NPSH r的大小？22．允许的吸收入真空度在什么条件下要进行修正？为什么？23．如何确定离心泵的几何安装高度？24．什么是吸入头？什么是灌注头？25．常减压装置中减压塔的基础为什么比常压塔基础高？26．为什么炼厂油罐区的泵房地面比当地地面低？27．一台离心泵在青岛地区使用和兰州地区使用其允许几何安装高度何地大？28．如何从装置方面防止汽蚀发生？生产操作中要注意哪些问题？29．用NPSHp c pas s v=+-ρρ22和()p p cZ hs A sg f A Sρρ=----22两式说明如何防止汽蚀发生？30．离心泵有几条特性曲线？各特性曲线有何特点、有何用途？31．离心泵开泵前要关闭出口阀，为什么？32．离心泵的功率曲线是如何形成的？33．离心泵的轴功率公式可写为NQH=ρη,当Q=0时N=0对吗？34．离心泵开泵前要关闭出口阀门而旋涡泵和轴流泵开泵前要打开出口阀门，为什么？35．离心泵的额定点和高效区是如何确定的？36．离心泵中主要有哪些损失？各影响哪些工作参数？37．离心泵的实际特性H Q -曲线是如何形成的？用画图示意说明。

离心泵的工作原理及主要部件性能参数离心泵——生产中应用最为广泛，着重介绍。

§ 2.1.1 离心泵 （Centrifugal Pumps ） 一． 离心泵的工作原理及主要部件 1．工作原理如左图所示，离心泵体内的叶轮固定在泵轴上，叶轮上有若干弯曲的叶片，泵轴在外力带动下旋转，叶轮同时旋转，泵壳中央的吸入口与吸入管相连接，侧旁的排出口和排出管路9相连接。

启动前，须灌液，即向壳体内灌满被输送的液体。

启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着旋转，在惯性离心力的作用下液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s 。

液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高。

液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽内液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在此压差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体，只要叶轮不停的转动，液体便不断的被吸入和排出。

泵离心泵旋转泵漩涡泵 往复泵由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。

气缚现象：不灌液，则泵体内存有空气，由于ρ空气<<ρ液，所以产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，达不到输液目的。

通常在吸入管路的进口处装有一单向底阀，以截留灌入泵体内的液体。

另外，在单向阀下面装有滤网，其作用是拦阻液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。

启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。

启动后渐渐开启出口阀。

停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命。

1 / 21．离心泵的扬程是什么意义？其单位是什么？样本上常用单位是什么？两者的关系是什么？单位质量液体通过泵以后获得的有效能头，常用单位J/kg 、m, H(m)*g=H(J/kg) 2．离心泵的主要过流部件是哪些？ 对它们的要求是什么？吸入室：要求液体流过吸入室时流动损失较小，并使液体流入叶轮时速度分布较均匀。

叶轮：要求是在损失最小的情况下使单位质量的液体获得较高的能头。

蜗壳：要求流动损失越小越好 3．离心泵开泵前为什么要灌泵？如不灌泵，离心泵内就会积存气体，由于气体的密度比液体的密度小得多，在额定转速下，泵提供的离心力会小很多，导致吸入液面到离心泵入口之间的压力差很小，无力推动液体进入泵内，所以开泵前需要灌泵。

4．∞T H 代表什么意义？在什么假设条件下得到的扬程？∞T H 叶轮叶片数为无限多的情况下的理论扬程。

假设条件：(1)通过叶轮的液体是理想液体。

因此，液体在叶轮内流动时无任何能量损失。

(2)叶片数无限多和无限薄。

即每一液体质点在流道内相对运动轨迹与叶片曲线的形状完全一致。

(3)液体在叶片间流道内相同半径上各点的流动呈轴对称。

即在同一半径的圆周上液体质点的相对速度大小相同，其液流角相等。

5．∞T H与哪些因素有关？为什么说它与介质性质无关？理论扬程 ∞T H 的大小只与液流在叶轮流道进、出口处的速度有关，即与叶轮进出口的几何尺寸(D ，β)、工作转速n 和流量Q T 有关；而与泵所输送流体的性质无关。

用同一个叶轮输送不同性质的流体，如水、油或空气等，在同一转速和流量下工作时，叶轮所给出的理论扬程值(用米表示)是相同的。

7．222212222212122c c w w u u H T -+-+-=∞中哪些是静扬程？ 由什么作用产生的？哪些是动扬程？前两项是H pot ，由离心力做功产生。

后一项是H dyn.8．什么叫前弯叶片、径向叶片、后弯叶片？用欧拉方程和速度三角形导出理论扬程∞T H 与TQ 的关系，并画出三种叶片的T T Q H-∞曲线()0190=α。

一离心泵的工作原理？？？动力机通过泵轴带动叶轮旋转，充满叶片间流道中的液体随叶轮旋转；液体在离心力的作用下，以较大的速度和较高的压力，沿着叶片间的流道从中心向外缘运动；泵壳收集从叶轮中高速流出的液体并导向至扩散管，经排出管排出。

液体不断被排出，在叶轮中心形成真空，吸入池中的液体在压差的作用下，源源不断地被吸入进叶轮中心；泵形成连续的吸入和排出过程，不断地排出高压力的液体。

二离心泵的三种叶轮结构及、三种形式的叶片出口角。

闭式叶轮由前盖板、后盖板、叶片及轮毂组成。

闭式叶轮一般用于清水泵。

半开式叶轮由后盖板、叶片及轮毂组成；半开式叶轮一般用于输送含有固相颗粒的液体。

开式叶轮由叶片及轮毂组成；开式叶轮一般用于含有输送固相颗粒较多的液体。

1）后弯式叶片—叶片向旋转方向后方弯曲，即β2k＜90°；2）径向式叶片—叶片出口沿半径方向，即β2k=90°；3）前弯式叶片—叶片向旋转方向前方弯曲，即β2k＞90°三离心泵的轴向力产生的原因、方向、消除或减小轴向力的措施。

离心泵的叶轮上要产生绐终指向泵的吸入口的轴向力轮左侧的压力小于作用在叶轮右侧的压力，叶轮上产生向左的轴向力。

1）开平衡孔：在叶轮后盖板上开一圈平衡孔，使前后盖板密封环内的压力基本相等，大部分轴向力可被平衡。

该方法一般用于单级离心泵。

2）采用双吸叶轮：液体从两边吸入，轴向力互相抵消。

3）叶轮对称安装：对多级泵，将叶轮背靠背或面对面地安装在一根泵轴上，轴向力互相抵消4）安装平衡管：用平衡管将多级泵的出口与进口连通。

即将高压区与低压区连通，从而平衡压力而降低轴向力５）安装平衡盘四离心泵的扬程、流量、各种功率、各种效率的基本概念及各参数的相关计算。

1）输出功率N—液体通过离心泵得到的功率，即离心泵实际输出的功率。

输出功率又叫离心泵的有效功率。

2）转化功率Ni—叶轮传递给液体的功率。

3）轴功率Na—泵的输入功率。

式中:Q—泵的实际平均流量，m3／s，可实际测量；H—泵的实际输出压头或有效压头，m液柱，可实际测量；ρ—被输送液体的密度，Kg／m3；Qi—泵的转化流量;Hi—泵的转化压头;η—离心泵的总效率。

单级离心泵轴向力方向有趣的是，这种力的方向可是有讲究的。

说到方向，大家可不要把它看得太简单。

轴向力的方向一般是往泵的进水口推的，这就像你把一瓶饮料打开，气泡瞬间往上冲的感觉，清脆又欢快。

但是这可不止于此，轴向力如果太大，就会让泵的轴承承受过大的压力，搞不好就得“叫苦连天”，导致泵坏掉，得不偿失呀！想象一下你每天都得去修理它，真是烦得要命。

接着咱们再聊聊这个力的产生原因。

转子转动的时候，液体会被甩到叶轮的边缘，液体的动量变化就会在这儿产生轴向力。

这就好比你把水泼到墙上，水流不自觉地往一个方向流，真是“水流如电”，让人目不暇接。

这个时候，液体对转子的作用力和反作用力就像一对好朋友，一个推，一个拉，彼此不分开。

转子转得越快，液体的流速越高，轴向力自然也就越大。

要是转速过快，那可就像在做高难度的杂技，随时都有可能摔个大跟头。

说到这里，你可能会问，哎呀，那我们应该如何控制轴向力呢？别急，这可是个技术活儿。

一般来说，咱们可以通过调节叶轮的形状、转速和泵的设计来控制。

就像做菜一样，调味要得当，太咸了不好，太淡了也没滋味。

比如说，叶轮的前缘设计得合理，能让液体在流动时减少不必要的阻力，这样就能有效降低轴向力，简直是让人拍手叫好。

当然了，还有一点必须提到，那就是对泵的轴承要格外关心。

轴承就像离心泵的“心脏”，它承受着轴向力带来的压力，如果不及时维护，等到出问题时，真是“哭都来不及”。

定期检查、润滑，能让泵的“心脏”跳得更加有力，寿命自然也会延长。

就像我们平时要锻炼身体，才能更好地应对各种挑战。

再说说泵的选型，咱们可得仔细斟酌。

市场上的离心泵种类繁多，有的适合高扬程，有的则更适合大流量。

选错了，那就好比穿错鞋，走几步就疼得不行。

选择合适的泵，不仅能提高工作效率，还能在轴向力的控制上游刃有余，轻松搞定。

单级离心泵的轴向力方向是个有趣又复杂的议题。

了解它的原理，就像摸清了一道题的解法，心里踏实多了。

别看它微不足道，但在泵的运行中却扮演着不可或缺的角色。

简答题■s.试写出欧拉方程，并说明在公式推导过程中的三个假设条件。

答：欧拉方程：m 三个假设条件：（1）液体在叶轮中的流动是稳定流动；（2）通过叶轮的液体是理想液体，即液体在叶轮内流动时无能量损失；（3）叶轮由无限多、无限薄的叶片组成。

■Z在图中指出离心泵的过流部件及其作用。

答：（1）5是吸入室，使液体从吸入管引入叶轮，要求损失小，并使液体流入叶轮是速度均匀分布；（2）4是叶轮，离心泵中唯一的做功部件，液体从叶轮得到能量，要求在流动损失最小的情况下，单位质量液体获得较高的能头；（3）7是排出室（蜗壳）：作用是把从叶轮内流出来的液体收集起来，并进入下级叶轮入口或直接送入排出管。

■J简述离心泵的工作原理。

答：离心泵启动前泵内灌满液体的过程称为灌泵。

驱动机（原动机）带动叶轮高速旋转，叶片带动液体旋转，产生离心力，液体获得能量（压力能、速度能增加）输送液体。

叶轮入口形成低压，靠吸入液体与泵之间压差，不断吸入液体，连续工作。

■D 答出泵和压缩机在油气储运工程中4个的应用。

答：请从以下四个方面简述：1在油气集输过程中的应用2在长距离输油管道和油库中的应用3在长距离输气管道和储气库中的应用4在液化天然气和压缩天然气中的应用■J简述扬程定义并根据定义列出泵进出口液流的能量方程。

答：单位质量的液体,从泵进口到泵出口的能量增值为泵的扬程。

即单位质量的液体,通过泵所获得的有效能量,常用H表示。

■J 简述提高吸入装置的有效汽蚀余量的措施（1）增加吸入罐液面上的压力pA以提高NPSHa（2）减小泵的安装高度zg以提高NPSHa （3）减小泵的吸上真空度Hs（4）减小泵吸入管路的阻力损失∑hA-S（5）降低液体的饱和蒸汽压pv■J 简述产生汽蚀的机理及危害。

答：（1）机理：水力冲击速度高，造成金属表面剥蚀、氧化，这种汽化、溃灭、冲击、氧化、剥蚀等的综合作用现象叫汽蚀或空化。

（2）危害：①噪音和振动：汽泡溃灭时液体冲击叶轮，泵内有“噼噼”“啪啪”的声音，引起机组振动；②对泵性能曲线影响：开始汽蚀时影响很小，发展到一定程度时出现“断裂工况”，大量气泡堵塞流道。

1.离心泵叶轮根据叶片出口相对流动角β2的不同可分为三种不同形式，当β2<90º时为前弯叶片叶轮，β2=90 º时为径向叶片叶轮，β2>90º时为后弯叶片；对应于三种叶轮效率为低高中。

2前向式叶轮的叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相同。

3.叶轮是离心泵的能量转换元件，它的结构形式有开式闭式半开半闭式三种。

4. 泵与风机中能量转换时的损失可分为机械损失,水力损失,容积损失5.要保证泵不发生汽蚀，首先要正确地确定泵的几何安装高度。

6.泵串联运行时，所输送的流量均相等，而串联后的总场程为串联各泵所产生的扬程之和。

5.泵或风机的工作点是管网特性曲线与泵的特性曲线的交点。

6.当使用比例定律进行流体机械的变转速调节时，其流量和转速的一次方成正比，压力和转速的二次方成正比，功率和转速的三次方成正比。

7.泵与风机的无因次特性曲线是以.流量系数为横坐标压力系数为纵坐标绘制的。

1.泵与风机是指以流体为工作介质与能量载体的机械设备。

2.叶片式流体机械中，介质作用于叶片的力是惯性力。

3.从理论上来讲，泵与风机的设计工况与最高效率点工况是一致的。

4.叶片式流体机械冲角的存在破坏了无冲击进口条件，大流量工况为负冲角，小流量工况为正冲角。

6.反作用度的意义是静压与全压的比值，其表达式是θ=p st/p t。

8.我国水泵行业习惯使用的比转速表达式为n s=3.65q1/2/h3/4。

9.离心式流体机械无穷叶片数时，理论扬程随流量的变化规律与β2有关，当β2>90о时，扬程升高β2=90о不变；β2<90º降低。

3.装置有效汽蚀余量越大，机械低压侧液体具有的能量超过液体汽化压力的余量越多，越不容易发生汽蚀。

5.反作用度表示静压能在总能量头中的比重。

7.泵与风机调节工况的方法有节流调节，导叶调节，动叶调节，气蚀调节，变速调节，改变台数调节1.通风机的静压是指全压与动压之差。

离心泵基础知识工作原理在化工和石油部门的生产中，原料、半成品和成品大多是液体或气体，而将原料制成半成品和成品，需要经过复杂的工艺过程，在这个过程中需要输送这些液体或气体，为这些工艺过程提供所需的压力和流量，输送液体的动设备习惯上称之为泵类；输送气体的动设备习惯上称之为压缩机类。

泵与压缩机有很多的种类，按照泵与压缩机的工作原理可以分为速度式与容积式，在速度式中，又可以分为叶片式与喷射式，叶片式又可以分为离心式、混流式、轴流式，最常见的是离心式；容积式可以分为回转式与往复式，往复式本可以分为活塞式与隔膜式。

一、离心泵1.离心泵的工作原理叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。

泵壳中央有一液体吸入管4与吸入管5连接。

液体经底阀6和吸入管进入泵内。

泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

2. 气缚现象当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。

从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。

为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。

3. 离心泵的结构3.1 泵壳泵壳有轴向剖分式和径向剖分式两种。

大多数单级泵的壳体都是蜗壳式的，多级泵径向剖分壳体一般为环形壳体或圆形壳体。

离心泵新型轴向力平衡装置动态轴向力计算及设计方法刘在伦;杨建霞;吴新瑞;邵安灿【摘要】In the case of impeller axial clearance being from 0.1 mm to 1.0 mm,the liquid pressure distribution in it,leakage,and axial thrust on the ring are calculated and analyzed by means of increasing the outer radius of both the moving and still rings and keeping that of inner radius constant.The result show that the liquid pressure in axial clearance will radially increase gradually and its dependence curve on radius will be an oblique straight line;both the ratio of outer radius to inner radius of moving and still ring and the size of axial clearance will have an obvious effect on its slope.When that ratio is constant the leakage coefficient will rapidly increase with the increase of the gap-to-diameter ratio at first and then tend to be flat while the axial thurst coefficient will sharply decrease at first and then tend to be flat.In terms of reduction of liquid leakage with axial thrust control,it is proposed that the gap-to-diameter ratio of the transition zone can be taken as a theoretical basis of design of axial clearance of centrifugal pump.The liquid pressure in balance cavity without balancing device is tested,and the effect of the balancing device for reducing axial thrust is analyzed comparatively.%采用动静环内半径不变加大其外半径的方法,对轴向间隙为0.1～1.0 mm时其内的液体压力分布、泄漏量、动环上轴向力进行了数值计算及分析.结果表明:轴向间隙液体压力沿半径方向逐渐增大,其关系曲线是斜直线,但动静环外半径与内半径比值和轴向间隙大小对其斜率有明显影响;在相同的动静环的外半径与内半径的比值时,隙径比增大,泄漏量系数具有先急剧增大然后趋于平坦的变化规律,而轴向力系数具有先急剧减少然后趋于平坦的变化规律.从控制轴向力减少液体泄漏量的角度,提出了过渡区隙径比可作为轴向间隙设计的理论依据.对平衡腔内不安装平衡装置时平衡腔液体压力进行了测试,对比分析了平衡装置减少轴向力的效果.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2018(044)002【总页数】5页(P54-58)【关键词】离心泵;轴向力;平衡装置;泄漏量系数;轴向力系数【作者】刘在伦;杨建霞;吴新瑞;邵安灿【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州 325105;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;普仑斯(福建)泵业有限公司,福建松溪 353500;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州325105【正文语种】中文【中图分类】TH311在离心泵中,特别是叶轮同向排列的多级离心泵,轴向力是研究离心泵的重要课题之一.传统轴向力平衡方法是:单级离心泵采用开平衡孔双密封环叶轮,或在叶轮后盖板增设背叶片；多级离心泵一般采用平衡盘、平衡鼓以及平衡鼓与平衡盘联合机构.近年国内专家学者提出了一些新的平衡轴向力方法以满足不同的结构和使用需要[1-3].早在20世纪90年代,关醒凡等[4]提出了一种新型轴向力平衡装置,突破了轴向力平衡装置的传统结构.指出该平衡装置的原理适合于所有多级泵(包括深井潜水泵),在扬程300 m以下的多级泵上使用,证明节能效果显著.刘在伦等[5]对这种轴向力平衡装置进行了改进,并应用于流量为720 m3/h、扬程为50 m的大型2级潜水泵上,工程实践验证了该平衡装置的可靠性.但因这种平衡装置的结构设计及轴向力计算的基础理论不够完善,而用实验手段获得最佳结构参数又将耗费大量精力,工程应用仍处在进退两难的境地.因此,采用数值计算方法研究这种平衡装置的动态特征并提出其结构设计原则显得格外必要.本文采用改变动静环外半径和轴向间隙的方法,研究新型轴向力平衡装置轴向间隙液体的压力分布、泄漏量和动环上轴向力的变化规律,为新型平衡装置的结构设计及轴向力计算提供理论依据.1 平衡轴向力装置结构特点及工作原理图1为离心泵新型轴向力平衡装置结构及原理图.图中p1为叶轮进口液体压力，p2为后密封环进口液体压力，p3为后密封环出口液体压力，p4为平衡腔液体压力，b1为径向间隙，b2为轴向间隙，r1为动静环内半径，r3为动静环外半径，rm为后密封环半径，r2为叶轮外半径.该平衡装置是由与叶轮同步旋转不锈钢盘(动环)和装在泵盖上的石墨盘(静环)构成的，其中石墨盘在泵盖内能轴向移动但不旋转，平衡装置安装在多级离心泵末级叶轮平衡腔内.动静环进口是高压液体，而其出口液体与首级叶轮进口相通或者引入外界与大气相通.后密封环径向间隙和动静环轴向间隙构成了间隙流道.当水泵工作时，在压差Δp=p2-p4作用下，间隙流道形成了一定的液体泄漏量，改变了平衡腔区域叶轮后盖板的侧压力分布，达到了平衡轴向力的目的.图1 平衡轴向力装置结构简图Fig.1 Schematic diagram of axial thrust balancing device2 数值计算本文是在离心泵平衡腔内安装不同外半径动静环，其内半径r1=35 mm，外半径r3为45.0、52.5、57.5、62.5 mm.后密封环的长度L=18 mm，径向间隙b1=0.2 mm.离心泵设计参数：流量qV=25 m3/h，扬程H=32 m，转速n=1 450 r/min，效率η=52%.叶轮外半径r2=158 mm.2.1 计算模型与网格划分应用Pro/E三维建模软件对泵全流道几何建模，保持叶轮和泵体其他结构尺寸不变，动静环外半径r3为45.0、52.5、57.5、62.5 mm条件下，分别对轴向间隙b2为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm建立计算模型，如图2所示.图2 计算模型Fig.2 Calculation model采用ICEM-CFD软件对整体离心泵模型采用混合网格方式进行网格划分[6],各计算域网格划分单元数及类型见表1.全部网格单元总数为1.61×106，所有网格扭曲率均小于0.86，所有网格质量均大于0.35，其后泵腔、径向间隙和轴向间隙网格如图3所示.由于模型仅是动静环外半径和轴向间隙的改变，对整体网格划分影响变化较小，因此采用的网格划分方式相同，网格划分单元总数也基本相等.表1 网格划分Tab.1 Mesh division计算域名称网格类型网格数前泵腔结构网格1．84×105前密封环间隙结构网格2．67×104叶轮非结构网格5．63×105蜗壳非结构网格3．16×105后泵腔结构网格1．63×105径向间隙结构网格2．72×104轴向间隙结构网格4．26×104进口结构网格2．76×105图3 后泵腔、径向间隙和轴向间隙网格Fig.3 Mesh of back pump chamber, radial clearance, and axial clearance2.2 数值模拟由于离心泵的工作介质为水，泵体内的流动可视为不可压缩定常湍流流动，采用标准k-ε湍流模型[7].压力与速度的耦合采用SIMPLE算法，差分格式选取为：压力亚松弛项采用标准格式，动量亚松弛项、湍动能亚松弛项、湍动能耗散率均为二阶迎风格式离散差分方程[8].根据计算模型的特点，边界条件设置为：泵进口设为无旋流动的速度进口，出口设为自由出流形式，所有壁面均采用无滑移固壁条件，近壁面湍流流动采用标准壁面函数法处理.因为离心泵的计算区域内存在旋转部分(如叶轮)和静止部分(如蜗壳)，所以离心泵内部流场的数值计算中存在动静耦合的问题，不能采用单一参考系[9].本文在对离心泵内部流场数值模拟时选用多重参考系模型作为流场的动静耦合模型，设置收敛精度为10-4，在FLUENT中进行数值模拟计算.3 结果及分析3.1 泵性能验证为验证数值模拟的可靠性，对平衡腔内不安装平衡装置时泵性能进行了测试，测试结果如图4所示.本文仅给出了动静环外半径r3=57.5 mm，平衡孔直径d=6 mm，轴向间隙b2为0.1、0.4、1.0 mm时泵性能模拟曲线，如图4所示.图4 泵性能曲线Fig.4 Performance curves of pump由图4可知，泵在0.8qV～1.2qV工作区域，泵的扬程和效率数值模拟结果与试验测试结果基本吻合.在设计流量下扬程和效率的模拟值均高于试验测试值，其中轴向间隙为0.1 mm时的误差最大，最大相对误差分别为3.84%、3.01%.试验结果表明:在动静环外半径一定时，轴向间隙的变化对泵性能影响不大.因此，图4证明了本文所采用的数值计算方法完全可行，能够满足本文的研究需要.3.2 轴向间隙液体静压分布为了研究轴向间隙对其内液体压力分布的影响，本文在动静环外半径为57.5 mm条件下，在设计工况下选取了轴向间隙中间截面的液体静压分布云图，如图5所示.从图5可以看出，在相同轴向间隙下,轴向间隙液体压力由内径至外径沿径向逐渐增大，外径处达到最大值，内径处压力最小.图5 轴向间隙液体的静压分布云图(kPa)Fig.5 Nephogram of distribution ofliquid static pressure within axial clearance(kPa)图6为轴向间隙液体压力与半径的变化曲线.从图6可以看出，轴向间隙液体压力随着半径的增大而增大，其关系曲线是一些斜直线.在相同轴向间隙下，动静环外半径增大，轴向间隙液体压力增大.3.3 隙径比对轴向间隙液体泄漏量及轴向力的影响为了分析与计算相似平衡装置动态性能，参照文献[10,11]引入旋转雷诺数Reω、泄漏量系数Cq、轴向力系数CF和隙径比G等无量纲参数，其定义为式中：Reω为旋转雷诺数,ω=2πn/60,ω为叶轮旋转角速度，rad/s；r3为动静环外半径，m；ν为水在常温下的运动黏性，m2/s；Cq为泄漏量系数；qV,x为轴向间隙液体泄漏量，m3/s；CF为轴向力系数；F为不锈钢盘上轴向力，N；ρ为水在常温下的密度，kg/ m3；H为水泵扬程，m；r1为动静环内半径，m；G为隙径比；b2为轴向间隙，m.图6 轴向间隙液体压力的分布曲线Fig.6 Distribution curves of liquid pressure within axial clearance根据数值模拟计算的结果，可绘制出设计工况下液体泄漏量系数和轴向力系数与隙径比的关系曲线，如图7和图8所示.由图7和图8可看出，在相同动静环外半径下，隙径比增大，泄漏量系数具有先急剧增大然后趋于平坦的变化规律，而轴向力系数具有先急剧减少然后趋于平坦的变化规律.根据泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线的特征，将其划分为敏感区、过渡区和不敏感区.敏感区的泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线陡峭，其斜率很大，隙径比会引起泄漏量系数和轴向力系数急剧变化.不敏感区的泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线几乎与横坐标平行，即隙径比变化对泄漏量系数和轴向力系数几乎无影响.在敏感区和不敏感区的区域称为过渡区.由图7和图8可确定出敏感区、过渡区和不敏感区的隙径比和轴向间隙的变化范围，见表2.图7 泄漏量系数与隙径比的关系曲线Fig.7 Dependence curves of leakage coefficient on ratio of gap-to-diameter图8 轴向力系数与隙径比的关系曲线 Fig.8 Dependence curves of axial thrust coefficient on ratio of gap-to-diameter表2 隙径比及轴向间隙的选择范围Tab.2 Selection scope of gap-to-diameter ratio and axial clearancer3/r1敏感区Gb2/mm过渡区Gb2/mm不敏感区Gb2/mm1．28<0．0074<0．330．0074～0．01830．33～0．82>0．0183>0．821．50<0．0067<0．350．0067～0．01590．35～0．83>0．0159>0．831．64<0．0064<0．370．0064～0．01460．37～0．84>0．0146>0．841．78<0．0059<0．380．0059～0．01370．38～0．86>0．0137>0．86由表2及图7和图8可看出，动静环的外半径与内半径的比值不变时，敏感区的轴向间隙较过渡区和不敏感区的轴向间隙都小.从减少液体泄漏量角度，选择敏感区的轴向间隙，轴向间隙越小越好，越有利于减少间隙液体泄漏量提高泵容积效率，但同时液体作用在动环上的轴向力会很大.选择过小的轴向间隙，一是会造成泵各零件轴向加工尺寸精度提高，泵制造及装配成本增加；二是会造成轴向间隙润滑、冷却条件急剧变差，不锈钢盘与石墨盘会出现烧结现象.从减少轴向力角度，选择不敏感区的轴向间隙，但在这种情况下，因隙径比的变化对泄漏量系数和轴向力系数几乎无影响，当轴向间隙达到一定值或进一步增大轴向间隙，不但不能减少作用在动环上轴向力，还会造成很大的容积损失，降低泵容积效率.因此，从控制轴向力减少液体泄漏量的角度，过渡区隙径比变化范围可作为轴向间隙设计的理论依据. 为了验证平衡装置平衡轴向力的效果，对平衡腔内不安装平衡装置时平衡腔液体压力进行了测试.后密封环直径Dm为90、105、115、125 mm条件下，平衡孔直径d为6、8、11 mm时设计工况平衡腔液体压力的测试结果如图9所示.图9 后密封环直径与平衡腔液体压力的试验曲线Fig.9 Test curves of liquid pressure in balance chamber vs back sealing ring diameter文献研究认为平衡腔体径向和轴向尺寸较小，平衡腔液体压力沿着径向均匀分布[12-13]，平衡腔区域液体作用在叶轮的后盖板力其中p2为平衡腔液体压力,Pa；rm为后密封环半径,m.由图9及式(5)可计算得到平衡腔区域叶轮后盖上轴向力，计算结果如图10所示.图1中在轴向间隙为0.4、0.6、0.8 mm条件下，动静环外径为90、105、115、125 mm时动环上轴向力的数值计算结果如图10所示.从图10可以看出，平衡腔区域液体作用在叶轮后盖板上轴向力随后密封环直径增大而增大.在相同后密封环直径的条件下，平衡孔直径为6、8、11mm时，平衡腔内未安装平衡装置时平衡腔区域液体作用在叶轮后盖板上轴向力较在平衡腔内安装平衡装置时液体作用在动环上轴向力大，验证了新型轴向力平衡装置有很明显地减小轴向力的效果.图10 轴向力的特性曲线Fig.10 Characteristic curves of axial thrust4 结论1) 轴向间隙液体压力沿半径方向逐渐增大，其关系曲线是斜直线,动静环外半径与内半径比值和轴向间隙的大小，对其斜率有明显影响.2) 泄漏量系数曲线和轴向力系数曲线是非线性曲线.对于不同外半径与内半径比值的动静环，隙径比增大，泄漏量系数先急剧增大后趋于平坦，而轴向力系数先急剧减少后趋于平坦.可用敏感区、过渡区和不敏感区来表征平衡装置工作状态.3) 对于不同外半径与内半径比值的动静环，从控制轴向力减少液体泄漏量的角度，并考虑制造及安装工艺和良好的润滑及冷却等因素，提出过渡区隙径比可作为轴向间隙设计的理论依据.参考文献：[1] 刘在伦,齐学义,李琪飞.新型轴向力平衡装置轴向力的计算 [J].农业机械学报,2005,36(2):58-60.[2] 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 [J].水泵技术,2002,147(5):29-32.[3] 马旭丹,吴大转,王乐勤.多级离心泵轴向力平衡装置的设计与分析 [J].农业工程学报,2010,26(8):108-112.[4] 关醒凡,魏光新,陆伟刚.新型深井潜水泵轴向力平衡装置的原理和计算 [J].中国机械工程,1995,6(S1):15-17.[5] 刘在伦,魏烈江,齐学义,等.新型轴向力平衡装置间隙泄漏量的计算 [J].农业机械学报,2005,36(12):74-80.[6] 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第七章轴向⼒径向⼒及其平衡图7—1 轴向⼒计算原理图第七章轴向⼒径向⼒及其平衡第⼀节产⽣轴向⼒的原因及计算⽅法泵在运转中，转⼦上作⽤着轴向⼒，该⼒将拉动转⼦轴向移动。

因此，必须设法消除或平衡此轴向⼒，⽅能使泵正常⼯作。

泵转⼦上作⽤的轴向⼒，由下列各分⼒组成：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，⽤1A 表⽰；2．动反⼒，此⼒指向叶轮后⾯，⽤2A 表⽰；3．轴台、轴端等结构因素引起的轴向⼒，其⽅向视具体情况⽽定，⽤3A 表⽰；4．转⼦重量引起的轴向⼒，与转⼦的布置⽅式有关，⽤4A 表⽰；5．影响轴向⼒的其它因素。

下⾯分别计算各轴向⼒。

⼀. 盖板⼒1A 的计算(图17—1)由图可知，叶轮前后盖板不对称，前盖板在吸⼊眼部分没有盖板。

另⼀⽅⾯，叶轮前后盖板象轮盘⼀样带动前后腔内的液体旋转，盖板侧腔内的液体压⼒按抛物线规律分布。

作⽤在后盖板上的压⼒，除⼝环以上部分与前盖板对称作⽤的压⼒相抵消外，⼝环下部减去吸⼊压⼒1P 所余压⼒，产⽣的轴向⼒，⽅向指向叶轮⼊⼝，此⼒即是1A 。

假设盖板两侧腔的液体⽆泄漏流动，并以叶轮旋转⾓速度之半2ω旋转，则任意半径R 处的压头h '为(推导见⼗⼋章))R R (g)u u (g g )u (g )u (h h h 22222222228812222-=-=-='''-''='ω（7—1）叶轮出⼝势扬程，当假定21m m v v =，01=u v 时，为 g)v v ()v v (H g v v H g p p H u m u m t t p 222121222222212+-+-=--=-=ρ g)u gH (H g v H t u t 2222122-=-= 即 )u gH (H H t t p 2221-= （7—2）叶轮后盖板任意半径处，作⽤的压头差为)R R (g H h H h p p 22228--='-=ω将上式两侧乘以液体密度ρ和重⼒加速度g ，并从轮毂半径积分到密封环直径，则得盖板轴向⼒1A--==m h m h R R p R R RdR )]R R (gH [g g RdRh A 22221822ωπρρπ )R R (g g )R R (g gR )R R (gH h m h m h m p 482282224422222222-+---=ωπρπρωπρ即 )]R R R (g H )[R R (g A h m p h m 2822222221+---=ωπρ（7—3）这部分轴向⼒也可很⽅便地按压⼒体体积来计算。

离心泵轴向力平衡方法全解 1 / 4
离心泵轴向力平衡方法汇总
如果不设法消除或平衡作用在叶轮上（传到轴上）的轴向力，此轴向力将拉动转子轴向串动，与固定零件接触，将造成泵零件的损坏以致不能工作。

一般常
用以下7种方法来平衡泵的轴向力。

1. 推力轴承
对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力，通常是简单而经济的方法。

即使采用其他平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也装设推力轴承。

2. 平衡孔或平衡管
在叶轮后盖板上附设密封环，密封环所在直径一般与前密封
环相等，同时在后盖板下部开孔，或设专用连通管与吸入侧连通。

由于液体流经密封环间隙的阻力损失，使密封下部的液体的压力下降，从而减小作用在后盖板上的轴向力。

减小轴向力的程度取决于孔的数量和孔径的大小。

在这种
情况下，仍有10~15%的不平衡轴向力。

要完全平衡轴向力必须
进一步增大密封环所在直径，需要指出的是密封环和平衡孔是相辅相成的，只设密封环无平衡孔不能平衡轴向力；只设平衡孔不设密封环，其结果是泄漏量很大，平衡轴向力的程度甚微。

采用这种平衡方法可以减小轴封的压力，其缺点是容积损失增加（平衡孔的泄漏量一般为设计流量的2~5%）。

另外，经平衡孔的泄漏流与进入叶轮的主液流相冲击，破坏了正常的流动状态，会使泵的抗汽蚀性能下降。

为此，有的泵体上开孔，通过管线与吸入管连通，但结构变得复杂。

采用上述平衡方法，轴向力是不能达到完全平衡的，剩余轴向力需由泵的轴承来承受。

用平衡孔平衡轴向力的结构使用较广，不仅单级离心泵上使用，而且多级离心泵上也使用。

1-1推力轴承 1-1平稳孔
2-2平衡管。

通常把表示主要性能参数之间关系的曲线称为离心泵的性能曲线或特性曲线，实质上，离心泵性能曲线是液体在泵内运动规律的外部表现形式，通过实测求得。

特性曲线包括：流量-扬程曲线（Q-H），流量-效率曲线（Q-η），流量-功率曲线（Q-N），流量-汽蚀余量曲线（Q-（NPSH）r），性能曲线作用是泵的任意的流量点，都可以在曲线上找出一组与其相对的扬程，功率，效率和汽蚀余量值，这一组参数称为工作状态，简称工况或工况点，离心泵最高效率点的工况称为最佳工况点，最佳工况点一般为设计工况点。

一般离心泵的额定参数即设计工况点和最佳工况点相重合或很接近。

在实践选效率区间运行，即节能，又能保证泵正常工作，因此了解泵的性能参数相当重要。

什么叫泵的效率？公式如何？指泵的有效功率和轴功率之比。

η=Pe/P泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用P表示。

有效功率即：泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积。

天牛船泥泵计算Pe=ρg QH (W) 或Pe=γQH/1000（KW）ρ：泵输送液体的密度（kg/m3）γ：泵输送液体的重度γ=ρg（N/ m3）g：重力加速度（m/s）质量流量Qm=ρQ(t/h 或kg/s)什么是泵的全性能测试台？能通过精密仪器准确测试出泵的全部性能参数的设备为全性能测试台。

国家标准精度为B级。

流量用精密蜗轮流量计测定，扬程用精密压力表测定。

吸程用精密真空表测定。

功率用精密轴功率机测定。

转速用转速表测定。

效率根据实测值：n=rQ102计算什么叫泵的效率？公式如何？答：指泵的有效功率和轴功率之比。

η=Pe/P 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用P表示。

有效功率即：泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积。

Pe=ρg QH (W) 或Pe=γQH/1000 （KW）ρ：泵输送液体的密度（kg/m3）γ：泵输送液体的重度γ=ρg （N/ m3）g：重力加速度（m/s）质量流量Qm=ρQ (t/h 或kg/s)我只知道物体旋转时会产生一个轴向的力，但是不知道如何计算，和转速直径还是质量有关，还是都有关系。