一種帶有軸向力平衡裝置的泵

《一種帶有軸向力平衡裝置的泵》涉及水泵領域，尤其涉及一種帶有軸向力平衡裝置的泵 。

在諸多行業(yè)中，泵的應用非常廣泛，其運行的穩(wěn)定性是一個不可忽視的問題，而軸向力的大小則是影響泵運行過程中穩(wěn)定性的重要因素之一。泵的軸向力問題很早就引起中國國內外學者的注意，工程技術人員一直在致力于該問題的研究。

早在1915年，Dautherty在《Centrifugal Pump》一書中討論了離心泵軸向力產生的原因，Stepanoff在1985年出版的專著中，更加系統(tǒng)地介紹了單級和多級離心泵軸向力產生的原因:

1．水泵葉輪的前后蓋板受液體壓力作用的面積大小不相等，前后泵腔中液體壓強的分布也不盡相同，因此，作用在前蓋板上的液體壓力以及作用在吸入口的壓力在軸向上不能與作用在后蓋板上的液體壓力相平衡，從而造成一個軸向的力，這個力時軸向力的主要部分。

2. 液體從葉輪吸入口流入又葉輪出口從流出，其速度大小和方向均不相同，液體動量的軸向分量發(fā)生了變化，因此，根據動量定理，在軸向方向作用了一個沖力，成為動反力。這個作用在葉輪上的力也時軸向力的組成部分。

3. 對于立式泵，轉子的重量也時軸向力的組成部分；對于臥式泵，這個軸向力的組成部分則不存在。

在泵的運行過程中，如果存在著過大的軸向力，將會使得泵無法正常工作，造成故障停車，影響安全生產。導致巨大的經濟損失。所以，研究一種新型的軸向力平衡裝置，具有重大的理論意義和實際意義。

多年以來，軸向力問題一直時泵研究領域重要的課題之一。許多科學工作者為此付出了很大的心血，提出了各種軸向力的平衡方法，從大量的文獻資料可以看出，中國國內外研究人員提出了各種不同的軸向力平衡裝置。通過對其比較分析，可以看出這些平衡裝置都是基于對背葉片、平衡盤和平衡鼓的改進設計。而且，針對某中類型的泵，這些裝置也的確起到了良好的平衡作用。目前大多數泵任沿用傳統(tǒng)法的軸向力平衡方法來平衡軸向力，這些方法在工農業(yè)生產中各個行業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用，而且為新型的軸向力平衡奠定了基礎 。

圖1為《一種帶有軸向力平衡裝置的泵》的結構示意圖 。

2020年7月14日，《一種帶有軸向力平衡裝置的泵》獲得第二十一屆中國專利優(yōu)秀獎 。2100433B

參見附圖：

帶有軸向力平衡裝置的泵，包括泵軸1、泵體2，泵軸1穿過泵體2，泵軸1左端套裝有葉輪3，葉輪3外壁、泵體2的左端面固定有密封壓蓋4，泵體2的空腔內設有筒體5，筒體5右端與泵體2內壁鑄造成一體，葉輪3末端深入到筒體5內，筒體5內壁套裝有密封環(huán)6，密封環(huán)6與葉輪3環(huán)壁之間設有徑向間隙7，筒體5底部固定有平衡盤8，平衡盤8左端面固定有石墨環(huán)9，葉輪3右端面與平衡盤8正對位置固定有金屬環(huán)10，平衡盤8、石墨環(huán)9、金屬環(huán)10與泵軸1之間形成平衡腔11；石墨環(huán)9與金屬環(huán)10之間設有軸向間隙12，軸向間隙12與徑向間隙7、平衡腔11相連通，葉輪3設有曲線流道13，曲線流道進水口13-1位于葉輪3左端面，出水口13-2位于泵軸1與泵體2之間的空腔內，平衡盤8、石墨環(huán)9、金屬環(huán)10套裝在泵軸1上進行軸向固定。

平衡裝置安裝在末級葉輪后面，隨著轉子一起旋轉。液體從葉輪的進水口12-1流入的壓力為P₁，出水口12-2流出的壓力為P₂，壓力降為P₁–P₂；然后流經徑向間隙7，徑向間隙7進口壓力為P₃，出口壓力為P₄（也是軸向間隙進口的壓力），壓力降為△P= P₃ –P₄。液體從徑向間隙7流出，流出壓力為P5，流經軸向間隙12壓力降為△P= P₄ –P₅，平衡腔11與大氣相通，則平衡腔11的相對壓力為零。在水泵工作時：間隙泄漏液體流經徑向間隙7和軸向間隙12，減壓后到達平衡腔11，在壓力差△P= P₃ –P₅的作用下，間隙內形成一定的泄漏量。因為平衡腔11與大氣相通，在末級葉輪吸入口（進水口）產生了一個與吸入口方向相反的力，因該力與軸向力相反，達到了平衡軸向力的目的 。

一種帶有軸向力平衡裝置的泵專利目的

《一種帶有軸向力平衡裝置的泵》的目的是提供一種帶有軸向力平衡裝置的泵，巧妙地利用了軸向間隙液流在旋轉過程中所受的離心力所引起的壓力差，該壓力差起到了阻礙間隙泄漏的作用，而平衡腔又與大氣相通，有效地平衡了軸向力 。

一種帶有軸向力平衡裝置的泵技術方案

《一種帶有軸向力平衡裝置的泵》的技術方案如下：

帶有軸向力平衡裝置的泵，包括泵軸、泵體，泵軸穿過泵體，泵軸左端套裝有葉輪，葉輪外壁、泵體的左端面固定有密封壓蓋，其特征在于：泵體的空腔內設有筒體，筒體右端與泵體內壁鑄造成一體，葉輪末端深入到筒體內，筒體內壁套裝有密封環(huán)，密封環(huán)與葉輪環(huán)壁之間設有徑向間隙，所述的筒體底部固定有平衡盤，平衡盤左端面固定有石墨環(huán)，葉輪右端面與平衡盤正對位置固定有金屬環(huán)，所述的平衡盤、石墨環(huán)、金屬環(huán)與泵軸之間形成平衡腔；所述的石墨環(huán)與金屬環(huán)之間設有軸向間隙，軸向間隙與所述的徑向間隙、平衡腔相連通。

所述的帶有軸向力平衡裝置的泵，其特征在于：所述的葉輪設有曲線流道，曲線流道進水口位于葉輪左端面，出水口位于泵軸與泵體之間的空腔內。

所述的帶有軸向力平衡裝置的泵，其特征在于：所述的平衡盤、石墨環(huán)、金屬環(huán)套裝在泵軸上進行軸向固定。

所述的帶有軸向力平衡裝置的泵，其特征在于：所述的平衡腔為環(huán)形空腔 。

一種帶有軸向力平衡裝置的泵改善效果

《一種帶有軸向力平衡裝置的泵》與其它平衡裝置相比，新型軸向力平衡裝置的優(yōu)點在于：

1．巧妙地利用了軸向間隙液流與旋轉過程中受到離心力所引起的壓力差，該壓力差起到了阻礙間隙泄漏量的作用。而平衡腔又與大氣相通，所以該裝置能有效地平衡軸向力。

2．平衡裝置由于泄漏量的存在，勢必會影響泵的容積效率，導致泵的效率下降。而新型軸向力平衡裝置能有效地降低泵的泄漏量，從而提高泵的效率。

3．與未安裝軸向力的平衡裝置時相比，新型軸向力平衡裝置可平衡掉大部分軸向力，其平衡軸向力的能力達到91%。而且，平衡軸向力的能力優(yōu)于葉輪開平衡孔平衡軸向力的方法。

4．通過對該新型軸向平衡裝置的理論驗證，軸向力的大小與平衡裝置徑向間隙和軸向間隙以及石墨盤的各尺寸參數有關，如果設計合理，可以完全平衡掉軸向力，甚至可以實現(xiàn)水泵的負軸向力下工作。

軸向力平衡裝置與平衡盤平衡鼓向比較均安裝在末級葉輪后面，隨轉子一起旋轉；平衡盤和平衡鼓僅僅時利用了間隙泄漏產生的壓差，而新型軸向力平衡裝置巧妙地利用了軸向間隙流在旋轉過程中受到離心力所引起的壓力差，該壓力差可有效地抑制泄漏，提高泵的容積效率。同時，該平衡裝置的平衡腔與大氣相通，以實現(xiàn)平衡軸向力。新型軸向力平衡裝置與背葉片平衡軸向力的方法比較，背葉片平衡軸向力是通過改變背葉片的有關尺寸（背葉片寬度t，背葉片外部半徑R和葉輪后蓋板至殼體壁的間隙S）來實現(xiàn)，功耗較大。該新型平衡軸向力的平衡裝置，其動件與不動件時金屬材料和非金屬材料構成的磨擦副，摩擦力小，功耗低 。

1.一種帶有軸向力平衡裝置的泵，包括泵軸、泵體，泵軸穿過泵體，泵軸左端套裝有葉輪，葉輪外壁、泵體的左端面固定有密封壓蓋，其特征在于：泵體的空腔內設有筒體，筒體右端與泵體內壁鑄造成一體，葉輪末端深入到筒體內，筒體內壁套裝有密封環(huán)，密封環(huán)與葉輪環(huán)壁之間設有徑向間隙，所述的筒體底部固定有平衡盤，平衡盤左端面固定有石墨環(huán)，葉輪右端面與平衡盤正對位置固定有金屬環(huán)，所述的平衡盤、石墨環(huán)、金屬環(huán)與泵軸之間形成平衡腔；所述的石墨環(huán)與金屬環(huán)之間設有軸向間隙，軸向間隙與所述的徑向間隙、平衡腔相連通。

2.根據權利要求1所述的帶有軸向力平衡裝置的泵，其特征在于：所述的葉輪設有曲線流道，曲線流道進水口位于葉輪左端面，出水口位于泵軸與泵體之間的空腔內。

3.根據權利要求1所述的帶有軸向力平衡裝置的泵，其特征在于：所述的平衡盤、石墨環(huán)、金屬環(huán)套裝在泵軸上進行軸向固定。

4.根據權利要求1所述的帶有軸向力平衡裝置的泵，其特征在于：所述的平衡腔為環(huán)形空腔 。

水泵軸向力是伴隨水泵轉動時產生的，對于軸向力的產生原因，古往今來有很多學者對此進行了研究，以提高水泵安全可靠運行的能力。研究表明，水泵軸向力的產生原因分為以下幾個方面：

（1）水泵葉輪前后液體壓力不平衡。當水泵工作起來時，葉輪帶動液體轉動，在這個過程中，液體經過轉動機械的葉輪前后，作用在葉輪吸入口與作用在葉輪背面的液體面積不相等。同時轉動機械的葉輪吸入口部位是低壓，背部是高壓，這樣由于葉輪前后的氣壓不同，會在葉輪的前輪蓋和后輪盤之間形成壓差，作用于前蓋板與后蓋板上的液體壓力不能互相平衡，產生一個軸向的力。

（2）液體動量的軸向分量發(fā)生改變。通過液體從葉輪吸入口處流入，從葉輪出口處流出這個過程，在液體軸向力方向上的動量分量會發(fā)生變化，原因是作用在葉輪前后的液體，其速度的大小不僅發(fā)生改變，速度的方向也有很大變化。根據動量定理分析得出，液體經過葉輪的過程中，由于液體動量在軸向分量上的改變，在軸向方向產生一個沖力，也稱動反力。

（3）不同的泵體，軸向力的產生原因也不同。立式泵內部轉子的本身重量，在水泵運行過程中也會成為軸向力的一部分；臥式泵內部的轉子重力則不會對水泵產生軸向力。

多年的實踐表明，水泵軸向力的平衡問題已成為水泵能否普遍應用的關鍵所在。無論在水泵的結構設計上，還是實際應用中，必須要盡可能的平衡軸向力，為水泵的可靠運行提供保障。平衡水泵軸向力的裝置是根據軸向力的大小進行設計的，大部分的軸向力被平衡裝置平衡掉，還有小部分的軸向力由水泵內部的止推軸承等機械裝置承受，這樣軸向力的作用被消除，就不會對水泵的安全運行產生威脅 。

一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機專利目的

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》的目的是要提供一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機，通過對冷凝過程和蒸發(fā)過程的不同相態(tài)的工質進行熱利用平衡交換，解決混合制冷劑的溫度滑移對設備的運行性能和安全性帶來的嚴重影響。

一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機技術方案

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》包括工質循環(huán)回路和熱水循環(huán)回路；所述的工質循環(huán)回路包括壓縮機、四通閥、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器，所述的熱水循環(huán)回路包括循環(huán)水泵和保溫水箱，其特征在于：

所述的熱泵熱水機還包括一個熱利用平衡處理器，所述的熱利用平衡處理器包括殼體、換熱管、主換熱腔、副換熱腔和汽液分離器，以及連通到殼體外部的工質入口、工質出口、進水口、出水口、汽分入口和汽分出口；所述的換熱管置于主換熱腔內，所述的汽液分離器置于所述的殼體內，與所述的殼體結合構成所述的副換熱腔；

所述的主換熱腔通過工質入口連接到所述的冷凝器，所述的副換熱腔通過所述的工質出口連接到所述的膨脹閥；所述的汽分入口經由四通閥連接到所述的蒸發(fā)器，所述的汽分出口連接到所述壓縮機的吸氣口；所述的換熱管的內部為熱媒水通道，所述換熱管的一端通過所述的進水口，經由一個電磁閥連接到外部冷水進水管路，所述換熱管的另一端通過所述的出水口連接到熱水循環(huán)回路的保溫水箱；

所述的熱泵熱水機的工質循環(huán)回路為：壓縮機－＞四通閥－＞冷凝器－＞熱利用平衡處理器的主換熱腔－＞熱利用平衡處理器的副換熱腔－＞膨脹閥－＞蒸發(fā)器－＞四通閥－＞熱利用平衡處理器的汽液分離器－＞壓縮機。

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》提供的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機的一種較佳的技術方案，其特征在于所述熱利用平衡處理器的殼體內部的上半部設有一個內筒，所述的主換熱腔是殼體的上半部和內筒之間形成的空間；所述的換熱管盤繞為螺旋狀，置于所述的主換熱腔內；所述汽液分離器的汽分筒體置于殼體內部的下半部，所述的副換熱腔是殼體的下半部與汽分筒體的外周之間形成的空間；所述主換熱腔的上部連接通到置于殼體外部的工質入口，所述主換熱腔的下部設有與副換熱腔連通的工質通道孔，所述副換熱腔底部連通到置于殼體外部的工質出口。

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》提供的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機的一種較佳的技術方案，其特征在于所述的換熱管與主換熱腔形成低頻紊流換熱結構，所述的換熱管為麻花狀螺旋管，所述麻花狀螺旋管的內外表面均帶有凹凸螺旋扭轉的峰谷結構，所述換熱管外壁的凸起螺旋貼近主換熱腔的內壁，形成具有螺旋狀工質通道的低頻紊流換熱結構。

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》提供的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機的一種更好的技術方案，其特征在于所述汽分筒體的外周設有螺旋翅片，所述殼體的內壁貼近汽分筒體外周的螺旋翅片，形成具有盤繞管結構的副換熱腔。

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》提供的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機的一種優(yōu)選的技術方案，其特征在于所述的熱利用平衡處理器對冷凝過程和蒸發(fā)過程的不同相態(tài)的工質進行熱利用平衡交換，冷凝過程的液態(tài)高溫工質從工質入口進入熱利用平衡處理器，經過主換熱腔與換熱管中的熱媒水換熱后，在所述的副換熱腔中，與蒸發(fā)過程中由汽分入口進入所述汽分筒體的氣態(tài)低溫工質再次進行換熱；在副換熱腔中的工質，在換熱過程中進一步降溫成為過冷狀態(tài)，并從工質出口流出進入蒸發(fā)器，從而提高蒸發(fā)器從空氣源中吸收熱能的效率，同時，汽分筒體中的工質在換熱過程中升溫，充分汽化成為過熱氣體，從汽分出口流出進入壓縮機，從而防止液態(tài)工質進入壓縮機造成液擊故障。

一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機有益效果

1、《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機通過在副換熱腔中對冷凝過程和蒸發(fā)過程的不同相態(tài)的工質進行熱利用平衡交換，可以解決由于非共沸混合工質R407C的相變不等溫特性造成的相變過程不平衡的問題，可以消除混合制冷劑的溫度滑移對設備的運行性能和安全性的影響，尤其適用于R407C環(huán)保型制冷劑系統(tǒng)。

2、《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機，通過熱利用平衡處理器對節(jié)流前的制冷劑進行熱量綜合利用，對補充給水箱中的冷水進行預熱，增加了冷凝側冷凝效果，有效地降低了高壓壓力和排氣溫度，降低壓縮機的功耗，機組的能效更高。同時還提高了保溫水箱中的補水水溫。

3、《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機，通過對出冷凝器的制冷劑進行再冷凝，可以保證進膨脹閥前的制冷劑處于過冷狀態(tài)，避免在高水溫時節(jié)流前有部分制冷劑處于氣體狀態(tài)，從而避免膨脹閥發(fā)生氣堵現(xiàn)象造成系統(tǒng)不能正常工作的故障。

4、《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》使用的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機，出蒸發(fā)器的制冷劑通過熱利用平衡處理器進行制冷劑再熱，焓值增加，可以保證進壓縮機的制冷劑為過熱氣體，防止壓縮機液擊現(xiàn)象發(fā)生，提高了系統(tǒng)的可靠性。

《一種帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機》涉及一種利用熱泵的流體加熱器，尤其涉及一種適用于R407C環(huán)保型制冷劑的帶有熱利用平衡處理器的熱泵熱水機。