叶轮背叶片外径对平衡轴向力性能影响的研究与探讨

0 引言

   离心泵在运转时．在其转子上产生一个很大的作用力，由于此作用力的方向与离心泵转轴的轴心线相平行，故称为轴向力。通常情况下，轴向力是一种有害力，过大的轴向力不仅会拉动转子轴向移动使叶轮与机壳之间的摩擦加剧，而且还会带来原动机负载过大、效率严重下降、振动噪音等问题，甚至还会引发轴承磨损、轴封失效和断轴等事故的发生，从而直接影响泵的工作。

   如今采用背叶片来平衡轴向力已成为一种重要的平衡方式。背叶片结构简单，制造方便，且能够有效降低后泵腔的流体压力，常见于含有杂质的单级单吸离心泵中。

   目前为止，国内外技术人员一般仅凭传统的经验方法设计背叶片结构。但是，大量的工程应用实践表明，不合理的背叶片结构会较大程度地影响离心泵总体性能，甚至有时会为满足轴向力性能而以牺牲一部分效率作为代价。所以，较为全面地了解背叶片尺寸结构和离心泵性能的关系，并以此作为优化背叶片结构设计的依据，将具有较大的实际意义。

   由于篇幅有限，本文重点选择了背叶片外径De作为研究方案组，用Fluent软件对不同背叶片外径下的离心泵内部流场进行数值模拟仿真，分析内部流场分布，从而得出背叶片外径对离心泵总体性能和轴向力性能的影响，最后用样机试验的方法进行验证分析结果。

1 理论分析

   背叶片，指的是在叶轮后外盖板上加铸几个径向叶片，用来抵消一部分或者全部的轴向力．它的主要几何参数有：外径De、叶片宽度t、叶片厚度sk和叶片数z等，其结构如图1所示。

图1 背叶片结构

   加背叶片后，背叶片随着叶轮旋转，并强迫带动液体旋转，使液体的旋转角度比没有背叶片时的大。由流体力学得知。此时作用在叶片后盖板上的液体的部分压力水头转化成为速度水头，从而使后泵腔的液体压力值得到下降，于是，作用在叶轮上的轴向力得到部分平衡，背叶片平衡轴向力的压力分布原理如图2所示。

图2 背叶片平衡轴向力原理

   为了研究不同背叶片外径对离心泵性能和轴向力性能的影响，本文选取带有背叶片结构的IH100-65-250化工离心泵作为研究对象，利用对五种不同背叶片外径大小的三维实体进行分组建模，分组的结果如表1，三维造型图如图3。

表1 叶轮口环间隙分组表