一种自动平衡径向力的单流道离心泵

摘要

一种自动平衡径向力的单流道离心泵，包括：泵壳、叶轮、泵轴、轴承箱，所述叶轮安装在泵壳中，并通过叶轮螺母与泵轴紧固连接，叶轮只有一个叶片，形成单一流道；所述泵轴通过轴承、轴承座安装在轴承箱中，泵轴上固定一个平衡环，该平衡环呈C型，是由环形内壁、环形外壁、前盖板、后盖板组成的缺口圆环状结构，所述平衡环为密封中空结构，其内部设置可自由滑动的配重单元。所述叶轮由于其结构和水力的不对称导致叶轮有不平衡的径向力，是引起泵振动的主要原因。本专利通过在泵轴上设置平衡环，使泵轴转动时，带动平衡环同步转动，平衡环内的配重单元受不平衡径向力的影响自动滑移到与径向力相反的位置，起到平衡径向力的作用。

权利要求

1.一种自动平衡径向力的单流道离心泵，包括泵壳(1)、叶轮(2)、泵轴(3)、轴承箱(4)，叶轮(2)位于泵壳(1)中，并与泵轴(3)固定连接，叶轮(2)设有一个叶片(6)，泵轴通过轴承(7)、轴承座(8)安装在轴承箱(4)中，并可在轴承箱(4)中自由转动，泵轴上设有平衡环(9)，轴承箱(4)与泵壳(1)固定连接，所述平衡环(9)由环形内壁(10)、环形外壁(11)、前盖板(12)、后盖板(13)组成封闭的内腔，该内腔的外径do为泵轴(3)直径dw的1.8～2倍，内腔的内径di为泵轴(3)直径dw的1.2～1.35倍，内腔的宽度为8mm～15mm；组成平衡环(9)的环形内壁(10)、环形外壁(11)、前盖板(12)、后盖板(13)的厚度为4mm～6mm；平衡环(9)的前盖板(12)在轴向上距离叶轮(2)中心截面的长度为3.5dw～4.5dw；平衡环(9)的缺口位置在周向上与叶片(6)出口端的夹角为沿叶轮旋转方向转动120°～160°，所述的平衡环(9)呈C型，所述平衡环为密封中空结构，其内部设置可自由滑动的配重单元(14)，所述平衡环(9)内部设置金属滑块(15)作为配重单元，该金属滑块呈扇形，该扇形角度为30°～60°，扇形外径r1为平衡环(9)内腔外径的0.8～0.95倍，扇形内径r2为平衡环(9)内腔内径的1.0～1.1倍；泵输送的介质密度ρliquid为700kg/m3～1200kg/m3，叶轮(2)出口直径为d2，叶轮(2)进口直径为dj，叶片(6)的包角为240°～400°，叶轮(2)出口宽度b2为0.8dj～1.0dj，叶轮(2)转速n为980r/min～1450r/min，叶轮(2)由于水力和结构不平衡产生的径向力F为所述金属滑块(15)的密度ρmetal为6500kg/m3～8500kg/m3，金属滑块(15)的质量为360F/[n2(r1+r2)]kg。

2.根据权利要求1所述的一种自动平衡径向力的单流道离心泵，其特征在于，所述的叶轮(2)通过叶轮螺母(5)与泵轴(3)固定连接。

说明书

一种自动平衡径向力的单流道离心泵

技术领域

[0001] 本发明属于离心泵制造技术领域，特别涉及一种自动平衡径向力的单流道离心泵。

背景技术

[0002] 单流道叶轮从进口至出口是一个空间扭曲的流道，公知单流道泵作为污水泵的一种，具有效率高、高效区宽、扬程曲线较陡、无堵塞性好等特点，适于输送含有颗粒或长纤维等杂物的液体，具有其它污水泵无法比拟的优越性。但该类结构叶轮存在以下不足：一是单流道叶轮是偏心结构，其质量分布不均匀，叶轮重心不在轴心线上，产生质量不平衡力；二是单流道离心泵工作时，由于其结构的不对称性，使得作用于单流道叶轮上的流体作用力也不平衡，产生流体不平衡力，这两种不平衡力合成为径向力，导致单流道离心泵存在明显的振动问题，而振动会导致许多泵故障现象，如转子碰磨、转子裂纹、密封磨损过快、轴承损坏、基础振动和噪声等问题。目前可以通过现代的动平衡机对单流道叶轮进行空转动平衡，将质量不平衡力降到最小，但无法消除。此外，叶轮偏心结构导致的流体不平衡力却是不可避免的，尤其在小流量工况下流体不平衡力远远大于质量不平衡力，其带来的振动等诸多故障问题严重影响了泵的运行效率、安全运行和使用寿命。

[0003] 经检索，与本发明相关的专利申请有：Impeller for centrifugal pump and balance adjusting method of impeller for centrifugal pump(公开号：JP 2007-255324A)，发明了一种自动平衡径向力的单流道叶轮，特点是叶轮后盖板上添加配重单元，通过配重单元产生的离心力平衡单流道叶轮产生的不平衡径向力，但是该发明结构不能自动调节配重位置，一旦遇到不平衡径向力导致振动的情况，需要拆卸叶轮以便于重新调整配重位置，不利于工业量产。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，单流道离心泵由于不平衡径向力导致振动大、安全可靠性差的缺陷，提出一种能够自动平衡径向力的单流道离心泵。

[0005] 一种自动平衡径向力的单流道离心泵，包括泵壳、叶轮、泵轴、轴承箱，所述叶轮安装在泵壳中，并通过叶轮螺母与泵轴紧固连接，叶轮只有一个叶片，形成单一流道；泵的其他部件和结构与普通单流道泵一样，在此不再累述；所述泵轴通过轴承、轴承座安装在轴承箱中，泵轴上固定一个平衡环，该平衡环呈C型，是由环形内壁、环形外壁、前盖板、后盖板组成的缺口圆环状结构体，所述平衡环为密封中空结构，其内部设置可自由滑动的配重单元。

[0006] 单流道叶轮由于其结构和水力的不对称导致叶轮的径向力较大，这是引起泵振动的主要原因。本专利通过在泵轴上安装平衡环，使泵轴转动时，带动平衡环同步转动，平衡环内的配重单元受不平衡径向力的影响自动滑移到与径向力相反的位置，起到平衡径向力的作用。

[0007] 平衡环通过销钉固定在泵轴上，该平衡环由环形内壁、环形外壁、前盖板、后盖板组成封闭的内腔，该内腔的外径do为泵轴直径dw的1.8～2倍，内腔的内径di为泵轴直径的1.2～1.35倍，内腔的宽度为8～15mm；组成平衡环的环形内壁、环形外壁、前盖板、后盖板的厚度为4～6mm。

[0008] 平衡环与单流道叶轮的相对位置对平衡径向力起到很重要的作用，轴向方向上要离叶轮较近，太远则平衡环的作用较小且轴承箱的空间有限，因此本发明平衡环的前盖板在轴向方向上距离叶轮中心截面的距离为3.5dw～4.5dw；由于本发明设计的平衡环为C型缺口圆环结构，该缺口避免了平衡环内的配重单元由于转动惯性导致其位置可控性差，因此圆周方向上该缺口位置与叶片出口端存在一定的相对角度，该角度为沿叶轮旋转方向转动120°～160°。

[0009] 平衡环内腔内放置金属滑块作为配重单元，该金属滑块的大小和质量是平衡径向力的关键，金属滑块太大容易卡在平衡环中，而太小导致金属滑块在平衡环中出现晃动，可能引起转子的不稳定，其大小要刚好适合平衡环内腔，做到自由滑动阻力小。因此设计该金属滑块呈扇形，该扇形的外径r1为平衡环内腔外径的0.8～0.95倍，扇形的内径r2为平衡环内腔内径的1.0～1.1倍。

[0010] 平衡环内部金属滑块的质量过大不仅不能平衡径向力，还有可能增大径向力，而过小将起不到平衡径向力的作用，本发明设计的平衡滑块的质量与单流道叶轮产生的径向力有关，通过计算单流道叶轮产生的径向力大小，求出平衡该径向力需要的平衡质量。其计算过程为：泵输送介质密度ρliquid为700kg/m3～1200kg/m3，叶轮出口直径为d2，叶轮进口直径为dj，叶片的包角为240°～400°，叶轮出口宽度b2为0.8dj～1.0dj，叶轮转速n为980r/min～1450r/min，叶轮由水力和结构不平衡产生的径向力F可用下述公式进行计算[0011]

[0012] 而金属滑块的密度ρmetal为6500kg/m3～8500kg/m3，金属配重滑块的质量m为[0013] m＝360F/[n2(r1+r2)]kg    (2)

[0014] 本发明的配重单元也可以用液体来代替，较佳的，前述的金属可以用液体水银代替，金属滑块需要在平衡环中加润滑性液体以提升金属滑块的滑移性能，而采用液体水银，一方面提高了配重的滑移性能，另一方面水银作为液态金属，具有足够的密度，可以起到配重的作用。同时，平衡环中设置圆柱体，起到减弱水银流动的作用；所述圆柱体的直径dc在以下范围内取值

[0015] (do-di)/8≤dc≤(do-di)/4    (3)

[0016] 在轴向方向上该圆柱体贯穿平衡环，在圆周方向上，圆柱体均匀分布在两个同心圆上，这两个同心圆的直径分别为(do+3di)/4和(3do+di)/4的，且两个同心圆上的圆柱体交错排列，相邻圆柱体在周向上的夹角为10°～40°。

[0017] 较佳的，液态水银的体积可以通过下述公式获得

[0018] V＝0.026F/[n2(r1+r2)]m3    (4)

[0019] 本发明的有益效果是：本发明通过在泵轴上设置平衡环，使泵轴转动时，带动平衡环同步转动，平衡环内的配重单元受不平衡径向力的影响自动滑移到与径向力相反的位置，起到平衡径向力的作用。减轻单流道泵的振动，增加泵的运行可靠性。

附图说明

[0020] 图1为本发明所述的一种自动平衡径向力的单流道离心泵的结构剖面图。

[0021] 图2为实施例的平衡环轴向方向的示意图。

[0022] 图3为实施例的平衡环圆周方向的示意图。

[0023] 图4为实施例的金属滑块配重平衡环的示意图。

[0024] 图5为实施例的水银配重平衡环的示意图。

[0025] 图中：1.泵壳，2.叶轮，3.泵轴，4.轴承箱，5.叶轮螺母，6.叶片，7.轴承，8.轴承座，9.平衡环，10.环形内壁，11.环形外壁，12.前盖板，13.后盖板，14.配重单元，15.金属滑块，
16.液体水银，17.圆柱体。

具体实施方式

[0026] 结合图1，本发明所述的自动平衡径向力的单流道离心泵，包括泵壳(1)、叶轮(2)、泵轴(3)、轴承箱(4)，所述叶轮(2)安装在泵壳(1)中，并通过叶轮螺母(5)与泵轴(3)紧固连接，叶轮(2)只有一个叶片(6)，形成单一流道；所述泵轴通过轴承(7)、轴承座(8)安装在轴承箱(4)中，泵轴上通过销钉固定一个平衡环(9)。

[0027] 结合图2和图3，本发明所述的平衡环呈C型，是由环形内壁(10)、环形外壁(11)、前盖板(12)、后盖板(13)组成的缺口圆环状结构，所述平衡环为密封中空结构，其内腔设置可自由滑动的配重单元(14)。平衡环由环形内壁、环形外壁、前盖板、后盖板组成封闭的内腔，泵轴直径35mm，内腔的外径取为泵轴直径的2倍，为70mm，内腔的内径取为泵轴直径的1.3倍，为45.5mm，内腔的宽度为10mm。组成平衡环(9)的环形内壁(10)、环形外壁(11)、前盖板(12)、后盖板(13)的厚度为5mm；平衡环(9)的前盖板(12)在轴向上距离叶轮(2)中心截面的长度取为泵轴直径的3.6倍，为125mm；平衡环(9)的缺口位置在周向上与叶片(6)出口端的夹角为沿叶轮旋转方向转动140°。

[0028] 结合图4，所述平衡环(9)内部设置金属滑块(15)作为配重单元，该金属滑块呈扇形，该扇形角度为60°，扇形外径r1取为平衡环内腔外径的0.9倍，为63mm，扇形内径r2取为平衡环内腔内径的1.01倍，为46mm；泵输送的介质为清水，密度ρliquid为1000kg/m3，叶轮(2)参照现有技术手册按照一定的比转速选择恰当的组合，本发明的实施例中出口直径d2选为225mm，叶轮(2)进口直径dj选为80mm，叶片(6)的包角选为360°，叶轮(2)出口宽度b2取为叶轮进口直径的0.8125倍，为65mm，由于该叶轮为单通道，用于输送污水粗颗粒，叶轮(2)出口宽度可在范围内适当取大一些；叶轮(2)转速n选为1450r/min，叶轮(2)由于水力和结构不平衡产生的径向力F经公式(1)计算，结果为1400N；所述金属滑块(15)材料为不锈钢，密度ρmetal为7930kg/m3，金属滑块(15)的质量经公式(2)计算为2.2kg。

[0029] 结合图4，平衡环中设置圆柱体，起到减弱水银流动的作用；所述圆柱体的直径在公式(3)中选取为3mm，在轴向上该圆柱体贯穿平衡环，在周向上，圆柱体均匀分布在直径为51.25mm和63.75mm的两个同心圆上，且两个同心圆上的圆柱体交错排列，相邻圆柱体在周向上的夹角为20°。液态水银的体积经公式(4)计算为0.00016m3。

[0030] 工作过程如下：

[0031] 当单流道离心泵工作时，泵轴(3)转动带动叶轮(2)和平衡环(9)同步旋转，平衡环(9)内的配重单元(14)受不平衡径向力的影响自动滑移到与径向力相反的位置，起到平衡径向力的作用。