平衡孔對(duì)離心泵性能影響的試驗(yàn)研究*

□ 劉東升 □ 錢(qián) 俊 □ 霍幼文

上海凱士比泵有限公司 上海 200245

1 研究背景

近年來(lái),在離心泵的研究領(lǐng)域涌現(xiàn)了許多成果,涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料工藝、水力性能、空化性能、力特性、壓力脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲,以及相關(guān)專利標(biāo)準(zhǔn)[1-10]。在細(xì)分領(lǐng)域離心泵平衡軸向力方面,科研人員提出了一些新方案[11-18],應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)景,取得了良好的效果。

不同的客戶對(duì)離心泵的需求是不一樣的,需要設(shè)計(jì)師進(jìn)行差異化深度設(shè)計(jì),兼顧制造成本、運(yùn)行能耗、備件消耗等。對(duì)于單級(jí)離心泵而言,大多數(shù)場(chǎng)合會(huì)選擇帶有平衡孔的葉輪,以減小離心泵軸向力及軸承磨損,提高離心泵的可靠性,延長(zhǎng)使用壽命。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)平衡孔對(duì)離心泵效率的影響和對(duì)離心泵流量揚(yáng)程曲線造成的變化進(jìn)行了許多研究,但較少有具體案例的定量描述。一般而言,增加平衡孔后,會(huì)造成離心泵揚(yáng)程減小,效率降低。筆者對(duì)比分析三臺(tái)具有不同比轉(zhuǎn)速水力模型的離心泵試驗(yàn)數(shù)據(jù),定量描述增加平衡孔后離心泵水力性能的變化規(guī)律。

2 離心泵結(jié)構(gòu)

離心泵為水平臥式安裝,左側(cè)通過(guò)進(jìn)口錐管水平進(jìn)水,經(jīng)過(guò)葉輪、導(dǎo)葉體、出口彎管后水平出水。右側(cè)通過(guò)聯(lián)軸器、扭矩儀和電機(jī)相連。離心泵實(shí)物如圖1所示,離心泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了研究平衡孔對(duì)離心泵水力性能的影響,同一臺(tái)泵分別采用兩種葉輪進(jìn)行試驗(yàn),一種是有平衡孔的葉輪,一種是沒(méi)有平衡孔的葉輪,如圖3所示。

圖1 離心泵實(shí)物

圖2 離心泵結(jié)構(gòu)

圖3 試驗(yàn)用葉輪

在試驗(yàn)過(guò)程中,先后采用三臺(tái)具有不同比轉(zhuǎn)速水力模型的離心泵,特征尺寸見(jiàn)表1。

表1 離心泵特征尺寸

單個(gè)平衡孔的面積為95 mm2,全部七個(gè)孔的面積為665 mm2。葉輪軸孔直徑均為55 mm。離心泵的旋轉(zhuǎn)方向相同,從進(jìn)口方向看為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

通常取平衡孔的總面積為5～8倍密封環(huán)間隙面積,平衡孔泄漏量一般為設(shè)計(jì)流量的2%～5%。為了減小因平衡孔泄漏造成的容積損失,選取平衡孔總面積為密封環(huán)間隙面積的3倍左右,剩余部分軸向力由軸承分擔(dān)。

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)臺(tái)為高精度水泵模型及裝置模型通用試驗(yàn)臺(tái),采用立式閉循環(huán)水系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)效率測(cè)試綜合誤差優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》和ISO/DIS 5198《離心泵、混流泵和軸流泵驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范-A級(jí)》的要求。

試驗(yàn)段、空化筒、穩(wěn)流筒、輔助泵、正反向供水切換管道、智能電磁流量計(jì)、智能壓力傳感器等構(gòu)成試驗(yàn)臺(tái)循環(huán)系統(tǒng)。

在效率試驗(yàn)前,模型泵應(yīng)在額定工況點(diǎn)運(yùn)行30 min以上,排除循環(huán)系統(tǒng)中的游離氣體,運(yùn)行時(shí)應(yīng)檢查離心泵的軸承、密封、噪聲、振動(dòng)狀況。試驗(yàn)應(yīng)在無(wú)空化條件下進(jìn)行。

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)合理分布在整條性能曲線上,試驗(yàn)前進(jìn)行各測(cè)量傳感器調(diào)零。試驗(yàn)曲線試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)為19,試驗(yàn)流量范圍為0～900 m3/h,揚(yáng)程范圍為30～65 m,轉(zhuǎn)速為1 480 r/min,電機(jī)功率為110 kW。試驗(yàn)工況穩(wěn)定后,試驗(yàn)系統(tǒng)在無(wú)任何人為干擾的情況下連續(xù)進(jìn)行三次效率測(cè)試,每次測(cè)試時(shí)間為30 s。三次測(cè)試結(jié)果的最大值與最小值之差應(yīng)小于0.3個(gè)百分點(diǎn),否則需要重新進(jìn)行測(cè)試。取三次測(cè)試的中間值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)流量先由小到大,再由大到小,即試驗(yàn)從零流量開(kāi)始,一直進(jìn)行到大流量,然后再?gòu)拇罅髁块_(kāi)始,一直進(jìn)行到零流量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定離心泵的最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間,同時(shí)測(cè)量流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、軸功率,繪制流量揚(yáng)程曲線和流量效率曲線。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 TS3離心泵

在轉(zhuǎn)速為1 480 r/min的條件下,TS3離心泵流量揚(yáng)程曲線如圖4所示,流量效率曲線如圖5所示。通過(guò)圖4對(duì)比可以看出:流量揚(yáng)程曲線在小于60%額定流量下有無(wú)平衡孔時(shí)基本一致,在60%額定流量至120%額定流量下有平衡孔時(shí)揚(yáng)程偏小;隨著流量的增大,揚(yáng)程的差別越來(lái)越大;在額定流量596 m3/h下,有平衡孔時(shí)揚(yáng)程偏小3.1%。通過(guò)圖5對(duì)比可以看出:有平衡孔與無(wú)平衡孔相比,效率普遍偏低;在額定流量596 m3/h下,有平衡孔時(shí)效率偏低2.7%。

圖4 TS3離心泵流量揚(yáng)程曲線

4.2 HS1離心泵

在轉(zhuǎn)速為1 480 r/min的條件下,HS1離心泵流量揚(yáng)程曲線如圖6所示,流量效率曲線如圖7所示。通過(guò)圖6對(duì)比可以看出:流量揚(yáng)程曲線在小于60%額定流量下有無(wú)平衡孔時(shí)基本一致,在60%額定流量至120%額定流量下有平衡孔時(shí)揚(yáng)程偏小;隨著流量的增大,揚(yáng)程的差別越來(lái)越大;在額定流量592 m3/h下,有平衡孔時(shí)揚(yáng)程偏小1.6%。通過(guò)圖7對(duì)比可以看出:有平衡孔與無(wú)平衡孔相比,效率普遍偏低;在額定流量592 m3/h下,有平衡孔時(shí)效率偏低5.9%。

圖5 TS3離心泵流量效率曲線

圖6 HS1離心泵流量揚(yáng)程曲線

圖7 HS1離心泵流量效率曲線

4.3 CS1離心泵

在轉(zhuǎn)速為1 480 r/min的條件下,CS1離心泵流量揚(yáng)程曲線如圖8所示,流量效率曲線如圖9所示。通過(guò)圖8對(duì)比可以看出:流量揚(yáng)程曲線在小于60%額定流量下有無(wú)平衡孔時(shí)基本一致,在60%額定流量至120%額定流量下有平衡孔時(shí)揚(yáng)程偏小;隨著流量的增大,揚(yáng)程的差別越來(lái)越大;在額定流量719 m3/h下,有平衡孔時(shí)揚(yáng)程偏小4.3%。通過(guò)圖9對(duì)比可以看出:有平衡孔與無(wú)平衡孔相比,效率普遍偏低;在額定流量719 m3/h下,有平衡孔時(shí)效率偏低3.5%。

圖8 CS1離心泵流量揚(yáng)程曲線

圖9 CS1離心泵流量效率曲線

4.4 對(duì)比分析

在試驗(yàn)過(guò)程中,先后采用三臺(tái)具有不同比轉(zhuǎn)速水力模型的離心泵,分別進(jìn)行葉輪有無(wú)平衡孔情況下的對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn),增加平衡孔后,在流量不變的條件下,離心泵揚(yáng)程有所減小,效率有所降低。在額定流量下,離心泵揚(yáng)程平均減小3.0%,效率平均降低4.0%。在60%額定流量下,離心泵揚(yáng)程平均減小0.3%,效率平均降低3.6%。在120%額定流量下,離心泵揚(yáng)程平均減小4.0%,效率平均降低3.6%。增加平衡孔后離心泵試驗(yàn)性能參數(shù)變化見(jiàn)表2。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在離心泵最優(yōu)運(yùn)行區(qū)間60%額定流量至120%額定流量范圍內(nèi),增加平衡孔后,效率降低1.6%～5.9%,平均降低3.7%。從節(jié)能降耗角度考慮,選擇葉輪有平衡孔的離心泵是不合適的。

5 離心泵平衡軸向力多樣性

由于離心泵運(yùn)行時(shí)葉輪進(jìn)出口存在壓力差,因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生軸向力。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景,有不同的平衡軸向力方法,包括采用平衡孔、平衡管、平衡盤(pán)、平衡鼓、背葉片、對(duì)稱吸入結(jié)構(gòu)等,平衡各種受力,減小磨損,減少碰撞,保障泵組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)維修費(fèi)用低于節(jié)省電費(fèi)時(shí),節(jié)能降耗才顯得有意義。

表2 增加平衡孔后離心泵性能參數(shù)變化

小流量單級(jí)離心泵多采用有平衡孔的葉輪,高揚(yáng)程多級(jí)離心泵多采用平衡盤(pán)或平衡鼓來(lái)平衡軸向力,必要時(shí)再增加平衡孔來(lái)平衡殘余軸向力。通過(guò)平衡孔或平衡管產(chǎn)生液體回流,會(huì)引起容積效率損失,并且液體回流到葉輪進(jìn)口,會(huì)造成流態(tài)紊亂,增大水力效率損失。如果采用對(duì)稱吸入結(jié)構(gòu)的雙吸離心泵,則不存在這一問(wèn)題。

大流量大功率離心泵多采用對(duì)稱吸入的雙吸離心泵方案,能夠平衡軸向力,減小軸承磨損,延長(zhǎng)使用壽命,并且不會(huì)降低效率,節(jié)省運(yùn)營(yíng)電力成本,維修拆裝方便。由此可見(jiàn),雙吸離心泵有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用空間,尤其是適用于市政供水泵站、大型水利工程調(diào)水泵站等。雙吸離心泵有單級(jí)、雙級(jí)、多級(jí)之分。單級(jí)雙吸離心泵有一個(gè)葉輪,如圖10所示。雙級(jí)雙吸離心泵有三個(gè)葉輪,如圖11所示。三級(jí)雙吸離心泵有五個(gè)葉輪,如圖12所示。

圖10 單級(jí)雙吸離心泵

圖11 雙級(jí)雙吸離心泵

圖12 三級(jí)雙吸離心泵

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)平衡孔對(duì)離心泵性能的影響,進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在小于60%額定流量下,有無(wú)平衡孔時(shí)離心泵揚(yáng)程基本一致。在60%額定流量至120%額定流量下,有平衡孔時(shí)離心泵揚(yáng)程偏小。隨著流量的增大,離心泵揚(yáng)程的差別越來(lái)越大。在額定流量下,離心泵揚(yáng)程平均減小3.0%。有平衡孔與無(wú)平衡孔相比,離心泵效率普遍偏低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析,離心泵葉輪增加平衡孔后,揚(yáng)程效率等水力性能發(fā)生了明顯變化。 在額定流量下,離心泵效率平均降低4.0%。

對(duì)于大流量大功率離心泵,建議采用對(duì)稱吸入的雙吸離心泵方案來(lái)平衡軸向力,以節(jié)省運(yùn)營(yíng)電力成本,避免因離心泵效率降低而增加電能消耗。