MD450－60型多级离心泵新型平衡装置设计研究

魏许照，黄　恺，赵德清，钟家鼎

(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州　121001)



MD450－60型多级离心泵新型平衡装置设计研究

魏许照，黄恺，赵德清，钟家鼎

(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州121001)

摘要:为了减少MD450－60型多级离心泵平衡盘间液体的泄漏，提高工作效率，设计了一种新型平衡装置，利用内装式单端面机械密封，依靠压差来平衡轴向力，并进行计算验证。结果表明，该装置能够在大幅度减少平衡盘间液体泄漏量的情况下平衡轴向力，为新型平衡装置设计提供理论依据。

关键词:多级离心泵;平衡盘;新型轴向力平衡装置;机械密封

大功率离心泵轴向力平衡问题，一直是泵研究领域的重要课题之一［1］。MD型多级离心泵主要应用于煤矿，现有的轴向力平衡装置多数为平衡盘，该平衡装置依靠液体的泄漏来平衡轴向力。平衡盘泄漏量很大，一般情况下平衡盘的泄漏量是泵额定流量的4%～10%，高扬程小流量泵甚至高达15%，当轴向磨损间隙变大后泄漏量还要增加［2］。因此，设计一种不依靠液体泄漏来平衡轴向力的新型平衡装置将具有十分重要的意义。

1　平衡盘原理和结构图

图1　平衡盘工作原理图

2　新型平衡装置的设计

新型平衡装置设计如图2所示。

新型平衡装置主要由平衡静座1、机械密封12、压盖8、纸垫7共4部分组成。其工作原理是:平衡静座1前端的密封腔E与末级叶轮出水端相连，末级叶轮流出的高压液体，经径向间隙流入密封腔E，平衡静座1后端直接与大气相连，依靠密封腔E内的压力与大气压力的差来平衡转子上的轴向力。图中A，B，C，D是4个密封部位，机械密封的作用是将密封腔压力和大气压力隔开，防止液体泄漏，这是本装置的关键所在。其密封原理如下［5］:图2所示内装式单端面机械密封由静环10和动环6组成平面摩擦副，动环6在紧定螺钉3的固定下随轴一起旋转，依靠弹簧5的弹力将动环6和静环10的密封端面压紧，使动环和静环接触端面紧密贴合，防止液体泄漏。由于接触端面的平面度和表面粗糙度加工精度非常高，因此可以在接触端面间产生一层润滑薄膜达到密封的目的。

图2　新型平衡装置

MD450－60型多级泵密封轴径比较大、密封介质的压力高、转子转速高，并且介质中含少量杂质，根据这些特性和轴颈的结构尺寸选择内装、旋转式、多弹簧、平衡型非集装式机械密封方式［5］，然后根据平衡静座的外径对机械密封尺寸进行设计计算。

3　新型平衡装置受力分析

由图3新型平衡装置的受力分析可知，该平衡装置所能承受的平衡力需满足:式中: An为作用在前n级叶轮上的轴向力; F1为作用在平衡静座前端面的压力; F2为密封端面液体的压力; F3为端面比压力产生的压力; C为平衡系数，一般平衡盘能够抵消70%到80%的轴向力，剩余的由止推轴承抵消，所以0.7≤C≤0.8，这里C 取0.8。

作用在前n级叶轮上的轴向力An的计算公式为:

图3　新型平衡装置的受力分析

式中: H1为泵单级扬程; Rm为叶轮密封环半径; Rh为叶轮有效轮毂半径; n为泵级数; k为系数，当ns=30～100时，k = 0.6;当ns= 100～220时，k = 0.7。

作用在平衡静座前端面的压力F1的计算公式为:

式中:ω为角速度; R2为叶轮半径; Re为端面摩擦副的外径;ηv为容积效率; Q为实际流量; vm为叶轮进口轴面速度; Hp为叶轮的势扬程，其计算公式为:

式中: Ht为理论势扬程。

假设摩擦端面内液体的压力按直线规律分布，如图4所示，密封端面液体总压力F2的计算方法如下。

图4　端面压力分布

由图4可知:式中: R1为端面摩擦副的内径;ΔP为摩擦端面前后压差; R为端面摩擦副某一位置时的半径。

设比压为P，端面比压产生的压力F3的计算公式为:

4　新型平衡装置设计流程

新型轴向力平衡装置设计流程图如图5所示。

图5　新型平衡装置设计流程图

5　实例计算

以MD450－60多级离心泵为例进行计算，其参数表见表1。

表1　MD450－60多级离心泵参数表

1)确定平衡静座尺寸。

如图3所示，初步确定平衡静座尺寸为Rn= 105.00mm。

2)确定平衡静座尺寸R1，Re。

如图3所示，确定机械密封端面摩擦副内径R1和外径Re，测得R1=104.00mm，Re=112.38mm。

3)计算转子轴向力。

当ns= 30～100时，k = 0.6;当ns= 100～220时，k = 0.7;当ns= 220～280时，k = 0.8。

所以取k = 0.6。

转子的轴向力由式(2)得: An= 37 849.65 (N)

4)计算平衡静座所能平衡的轴向力。容积效率:

水利效率:

理论势扬程:

由式(4)得: Hp=48.24(m)

作用在平衡静座的轴向力F1由式(3)得:

轮毂速度:

叶轮圆周速度:

摩擦端面前后压差:

密封端面液体的总压力由式(5)得:

端面比压产生的压力由式(6)得:

所以平衡静座所能平衡的轴向力:

5)计算系数C。

采用新型平衡装置能够抵消掉的轴向力占比为:

叶轮出口压力:

叶轮后腔压力:

C = 0.82＞0.8，满足设计要求。余下的轴向力将由止推轴承承担。

由上述计算结果得知，该新型平衡装置所用的单端面内装式机械密封其密封腔压力比较大。我国高压密封技术起步比较晚，产品少，质量也不够稳定，许多耐高压机械密封装置需从国外引进。随着我国耐高压机械密封技术的发展，新型平衡装置将会得到广泛的应用［6］。

6　总结

本文设计了一种用于矿用多级离心泵上的新型轴向力平衡装置，并给出了具体设计计算方法，该装置具有如下优点:

1)采用内装式单端面平衡型机械密封，可以人为设计控制端面比压，从而减小摩擦功率损失，具有较长的寿命。

2)由于现有平衡盘依靠泄漏来平衡轴向力，泵的容积效率会受到严重影响，导致泵的工作效率下降，而新型轴向力平衡装置几乎没有泄漏，从而提高了泵的工作效率。

3)新型平衡装置结构简单，可以取消或大大简化轴封装置(如填料箱、填料、填料压盖等)，因而可降低成本。

参考文献:

［1］吴佼.离心泵浮动叶轮轴向力的数值计算与实验研究［D］.兰州:兰州理工大学，2014.

［2］陈长江，周广山，张希望，等.平衡盘几何参数的优化设计［J］.水泵技术，2003(3) :28－30.

［3］贾大伟.多级离心泵轴向力测试与平衡改进设计研究［D］.北京:北京林业大学，2011.

［4］李春，薛武智.平衡盘的动态性能研究［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2008，29(4) :39－41.

［5］付平.密封设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［6］关醒凡.现代泵理论与设计［M］.北京:中国宇航出版社，2011.

Research on the new type balancing device based on MD450－60 multistage centrifugal pump

WEI Xuzhao，HUANG Kai，Zhao Deqing，ZHONG Jiading
(Mechanical Engineering＆Automation College，Liaoning University of Technology，Liaoning Jinzhou，121001，China)

Abstract:In order to reduce MD450－60 multistage centrifugal pump liquid leakage among balance disc and enhance the working efficiency，it puts forward a new type of balancing device.It uses the built－in type mechanical seal relying on the pressure difference to balance the axial force，takes a calculation with specific example verification.Results show that this device can balance axial force under the condition of reducing large leakage.This provides theoretical basis for the new balance device design.

Key words:multistage centrifugal pump; balance disc; a new device of axial force balance ; mechanical seal

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.013

作者简介:魏许照(1988—)，男，山东青岛人，辽宁工业大学硕士研究生，专业方向为机械设计制造及其自动化。

收稿日期:2015－04－14

中图分类号:TH311

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0053－04