离心泵的分析

　　离心泵在运行过程中转子会受到与转轴方向平行的轴向力，要设法平衡轴向力，才能保证泵组安全稳定运行。引起轴向力的主要因素有叶轮前、后盖板外表面的压差，扭曲叶片正背面以及整个叶轮内表面受到的水压力，对于立式泵，轴向力还包括转子的质量。为了平衡轴向力，常采用推力轴承、平衡孔或平衡管、副叶片、双吸叶轮、对称布置叶轮、平衡鼓及平衡盘等结构，不少学者也一直在研究新的平衡措施。其中，副叶片由于兼备非接触式密封作用而在挖泥泵等固液泵中应用广泛。侧腔内的间隙流动一直是轴向力研究中的关键问题。Adkins 等在试验研究中发现，泄漏到叶轮两侧腔体中的流体施加在前、后盖板上的轴向力是离心泵轴向力的重要来源，并且改变侧腔型线及间隙流道结构会显著改变转子的受力情况。不同的前盖板形状也会导致间隙流动轨迹不同进而引起不同的叶轮受力特性。盖板上随叶轮旋转的副叶片会改变侧腔内的流场特点，使流速增加而压力降低，在起到动力密封作用的同时也起到了平衡轴向力的作用。从不可压缩流动的基本方程出发，推导了一般情况下前、后盖板的轴向力计算公式，同时对后盖板上有副叶片时的轴向力计算公式也进行了推导，为副叶片的设计提供了参考。在没有副叶片时，侧腔内的流体一般被认为以 ω/2 的角速度旋转，而存在副叶片时，相关研究中则通常以斯捷潘诺夫提出的计算公式来估算这部分流体的旋转角速度。在试验测量了采用副叶片为平衡方式的离心泵轴向力后，发现理论计算结果与试验结果差别较大，经验公式难以体现副叶片对侧腔流场的影响。因此经验公式越来越难以满足工程应用的精度要求。随着计算流体(computational fluiddynamics，CFD)技术的发展，数值模拟方法在离心泵轴向力研究中的应用日益广泛。均采用 CFD 技术对水泵轴向力进行了数值模拟计算，得到了与试验测量结果

　　相近的计算结果。通过数值模拟方法分别研究了副叶片的宽度、外径等几何参数以及弯曲形式等对离心泵轴向力的影响，对副叶片的设计提供了一定的参考。在研究中发现副叶片断面与泵盖间的间隙大小会影响轴向力的方向，认为该间隙值是副叶片设计中的一个重要参数。目前已有的报道中，副叶片大多设计于后盖板上，鲜有只在前盖板上设计副叶片的情况，而前盖板的副叶片端面与前泵盖之间轴向距离的大小关系到前腔泄漏量的多少，同时对于前腔内的流动结构有一定影响，进而对叶轮所受轴向力也有一定影响。本文将对一个前盖板上有后弯式副叶片的离心式挖泥泵开展数值模拟研究，分析改变叶轮轴向位置时轴向力的变化规律及相关影响因素，以期为离心式挖泥泵的优化设计提供参考。

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