平衡鼓问隙尺寸对多级泵轴向平衡能力影响的分析

中图分类号： TH38 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.03.011Analysis on the Influence of Balance Drum Gap Sizes on Axial BalancedCapacity in M ultistage PumpsZHANG Xian-an，JIN Jian-bo(1.Zhenhai Petrochemical Jianan Engineering Co.Ltd.，Ningbo 315207，China；2.Hangzhou SpecialEquipment Inspection Institute，Hangzhou 312212，China)Abstract： Flow conditions of six gap sizes were analyzed by the method of CFD simulation，and the pressure field and velocityfield were predicted.The simulation results show that.the relationship between balance drum gap and diferential pressure bothsides of the gap is nonlinear，SO is the relationship betwen balance drum gap an d gap leakage.By which the rationality of theleakage calculation formula is validated.It is found that balance drum gap size has great influence on both axial balanced capacityand gap leakage.On the premise of guaranteeing safe running，smaller gap size is better。

Key words： multistage pumps；balance drum；gap sizes；axial balanced capacity1 前言多级泵的轴向力平衡装置主要有平衡鼓和平衡盘。其中平衡鼓的主要结构有单平衡鼓结构、双平衡鼓结构和平衡鼓加平衡盘结构等 ]。

平衡鼓通常装在末级叶轮之后，随转子-起旋转，单平衡鼓结构如图1所示，平衡鼓外表面与平衡鼓套间形成-个径向间隙 b 。平衡鼓前侧是末级叶轮的后泵腔，内部压力为 P ，此处压力较高；后侧是与吸入口相联通的平衡室，内部压力为尸4，此处压力较低。如此作用在平衡鼓上的压差就会形成-个指向右方的力，该力达到平衡液体作用在转子上的轴向力的目的4 J。

收稿日期： 2012-12-11平衡鼓 平衡室图 1 单平衡鼓结构示意 由图可以看出，如果平衡鼓径向间隙 b.过大，此处的间隙泄漏量将会很大，而如果减小该间隙降低泄漏量，必然会导致径向间隙过小，平衡鼓与平衡鼓套相互摩擦，引发设备振动、噪声等不利影响，降低了设备使用的可靠性 。目前国内50 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013外对平衡鼓径向问隙尺寸对轴向平衡能力的影响均未系统的研究，本文采用 CFD的方法开展相关 3 研究方案的研究。

2 间隙尺寸对平衡力及泄漏量影响的理论分析平衡鼓前侧的压强 P 以及平衡室内压强 P计算式：P2P1[H1(i-1)日 ]gP (1)2 -0。9.(R；-R )gp (2P3 P2 P ) -8 L 。 LP5P1pgh (3)式中 P。--首级叶轮进口压力日.--泵的单级扬程- - 泵级数- - 末级叶轮势扬程- - 连通管内水力损失由此可知平衡鼓两侧压差△P为：AP P3-P5 (4)故可进-步得到由平衡鼓两侧压差得到的平衡力 F为：FAP(R -R：)订 (5)式中 R --平衡鼓外径R --轮毂直径平衡鼓径向问隙的泄漏量 q可表示为：q 1D b1(2gAP/p) (6)IX11/(10.5orALl/2b1) (7)式中 01--圆角系数A--沿程阻力系数D --轮毂直径b --径向间隙由间隙泄漏量公式可以看出，间隙泄漏量的大小与径向间隙b。、间隙长度 L、平衡鼓两侧压差△P以及沿程阻力 A等因素密切相关。当径向间隙 b.增大时，平衡鼓间隙泄漏量也会随之增大，由于两侧流体的流通，两侧的压差也必然下降，进而使得平衡鼓两侧压差得到的平衡力也降低。用量纲方法来分析间隙泄漏公式，可以发现，径向间隙 b 的指数系数是压差 △P的3倍。由此可见，当径向间隙 b 增大时，平衡鼓两侧压差 △P虽然减少，但问隙增大对平衡鼓泄漏的影响远大于两侧压差。

对于尺寸小的平衡鼓，其径向问隙大猩参考叶轮口环间隙或级问隔板间隙；对于尺寸大的平衡鼓，其径向间隙-般的取值范围为 0.25～0.35mm 。J。 为了考察不同间隙变化对轴向力平衡的影响，结合已有平衡鼓径向间隙尺寸范围，本文对 0.15-0.5mm尺寸段进行研究。原设计平衡鼓径向间隙为0.25mm，数值模拟中，保留泵体上的平衡鼓套不动，通过增大或减小平衡鼓外表面直径的方式来调节径向问隙。平衡鼓间隙尺寸的变化值见表 1。

表 1 平衡鼓间隙尺寸变化方案模型编号 1 2 3 4 5 6径向间隙(mm) 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.5通过 CFD模拟分析不同径向间隙时，平衡鼓两侧的压差情况以及间隙处的流体流动状态。根据问隙对平衡鼓平衡轴向力所产生的影响，归纳出较为合理的径向间隙尺寸选择范围，使轴向力平衡与水力损失均满足要求。

4 数值模拟结果及分析根据平衡鼓间隙尺寸变化方案，以 DB80-82×7型多级泵为原型建立了相关的物理模型，对以上研究方案规定的6种问隙模型进行数值模拟，并预测了间隙内部压力及速度分布。采用压力入口、压力出口，两侧压差△P3MPa，转速 n1490r/min。

模拟时采用 Moving mesh滑移网格模型模拟平衡鼓与平衡鼓套之间相对位置的变化，以提高计算结果的准确度；应用 RNG k-湍流模型，考虑了流动中的旋转及曲率变化；应用分块网格以及边界层网格技术提高网格质量，保证间隙网格与两侧流体域网格均匀过度。

4.1 不 同径向间隙入 口速度分布比较图2(a)-(f)是不同径向间隙人口速度云图，从图中可以看出，由于流体粘性以及壁面剪切力的影响，间隙内部在中心处的速度值最大；同时因为平衡鼓壁随泵轴旋转，平衡鼓套壁面处流体速度为零，而平衡鼓壁处流体存在圆周方向的速度。由此可知，平衡鼓间隙处流动是由轴向的压2013年第41卷第3期 流 体 机 械 53通过以上不同问隙的速度矢量图可以看出，间隙尺寸很小时，流入间隙的流体量必然不充分。

这是因为在入口前侧流动较为复杂，存在-定的涡旋；而当间隙尺寸很大时，由于间隙前侧的未出现涡旋，流体能顺畅的流人间隙，从而造成流人问隙的流体量增加。

5 结语综上所述，平衡鼓间隙尺寸对平衡鼓轴向平衡能力以及间隙泄漏量均具有较大影响。通过以上分析发现，平衡鼓间隙与泄漏量及两侧压差均为非线性变化关系，对应的关联指数前者大于 1，后者小于 1。径向间隙尺寸在保证设备安全运行的前提下，应当尽量校