离心泵几种间隙对性能的影响

离心泵几种间隙对性能的影响
摘要：本文通过研究离心泵的半开式叶轮前后部间隙，闭式叶轮密封环的前后部间隙和隔舌间隙，分别说明间隙对于离心泵性能产生的影响。

研究表明：前部间隙对性能的影响比后部间隙大，粘度相同的介质，随着间隙的增大，间隙变化对性能的影响较大；对于粘度变化的介质，随着粘度的增加，间隙变化影响将减小。

关键词：离心泵叶轮密封环泵体隔舌间隙
离心泵具有性能范围广泛、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便等诸多优点，因此，离心泵在工业生产中应用最为广泛。

除了在高压小流量或计量时常用往复式泵，液体含气时常用漩涡泵和容积式泵，高粘度介质常用转子泵外，其余场合，绝大多数使用离心泵。

因此，细致地研究离心泵，把影响离心泵性能的诸多因素考虑清楚，对工程设计和生产具有很好的指导性作用。

与其它转动设备相同，离心泵静止部件与转动部件之间必须留有适当的间隙，这些间隙配合对于离心泵的性能具有不可忽视的作用，而且不同位置、不同部件间的间隙配合，对于离心泵的性能影响程度也不同，例如半开式叶轮与泵体之间的间隙、闭式叶轮的密封环之间的间隙、叶片顶部和泵体隔舌之间的间隙，这些间隙是通过理论计算和实践经验总结出来的，对泵的性能和振动有很大的影响。

本文主要研究离心泵中几种不同位置的间隙与性能的关系，同时提出了增大隔舌间隙的几种方法。

一、半开式叶轮的前后部间隙与性能的关系
1.半开式叶轮的前部间隙与性能的关系
对于半开式叶轮结构的悬臂式单级泵（见图1、图2），由于叶轮没有前盖板，叶轮与泵体耐磨板之间形成了前部间隙，通过调整转子位置，使间隙达到理论设计数值。

这个间隙对泵的性能影响较大，为了定性的了解间隙与性能的影响程度，我们通过三维计算模型，模拟在多个工况，多种介质及多个间隙下通过下面计算公式进行了如下分析。

图1半开式叶轮示意图
1-泵盖；2-泵体；3-叶轮；4-密封环；5-轴套；6-填料密封机构；7-泵轴；8-托架；9-轴承；10-联轴器
图2半开式泵示意图
1.1泵的扬程公式为：
H=Pout-Pinρg
1.2叶轮消耗的功率为：
Pin=Mω-Mn9550
1.3泵水力效率为：
ηh=pqQHMω
1.4总效率为：η=ηhηvηm
式中：Pout 为蜗壳出口总压；Pin为泵进口总压；ρ为输送液体的密度；M 为转矩；n为转述；ω为角速度；ηv 为容积效率；ηm为机械效率。

通过三维计算得出下表1，表中△x为间隙的变化绝对值，当间隙增加时，效率有明显变化，当输送介质的体积分数增大，间隙由0变化为1.0mm时，效率的降幅反而减小；间隙由1.0mm变化为2.0mm时，对于不同介质，效率的降幅则较大，超过10%，体积分数φ大，效率变化也越大。

表1 不同间隙的泵效率下降值
注：△x/mm 表示单位mm的间隙变化的绝对值；△η/% 表示效率变化的绝对值；φ 表示浆料的体积分数。

得出的结论为：前部间隙对泵效率有很大影响，间隙越大，其对扬程、效率影响也越大，轴功率也随间隙增大而升高。

不同泵制造厂家有不同数值。

2.半开式叶轮的后部间隙与性能的关系
对于半开式叶轮后盖板与泵盖之间的间隙叫后部间隙。

当这个间隙增大时，过流断面的面积将增大，间隙两端压力降随之增加，从而导致叶轮泄漏量增大，同时扬程降低[1]。

在模拟实验中如果后部间隙超出了规定的范围，也会使轴向推力增加，进而导致推力轴承过早的失效。

同时密封腔的压力也会随之增加。

一旦密封面的受力增大，作用在密封面的力会转化成热能，使密封面温度升高，磨损也将加快。

进而导致密封的泄漏量增大，严重时导致密封失效。

通常为了减少泄露，叶轮后盖板设计有背叶片结构。

通过模拟实验得出的结论为：
2.1叶轮前部间隙对离心泵性能的影响比后部间隙大；间隙由0变化为1.0mm 时，效率的降幅反而减小；间隙由1.0mm变化为2.0mm时，对于不同介质，效
率的降幅则较大，超过10%，体积分数φ大，效率变化也越大。

2.2前后部间隙对性能的影响随粘度的增加而逐渐减弱；当粘度一定时，前后口环的间隙同时增加对泵的性能影响最大。

2.3叶轮前后部间隙增加对水力效率影响较小，使容积效率有较大的下降，相反机械效率有比较大的提升。

若它不足以补偿前两者的下降总和，则泵效率下降。

2.4扬程和效率曲线随间隙变化比较复杂，在离心泵设计、制造和装配环节要合理确定和控制叶轮前部间隙，运行中应尽量避免叶轮前后部间隙同时扩大的情况。

二、闭式叶轮的密封环间隙与性能的关系
闭式叶轮结构通常带有前密封环和后密封环，密封环间隙（见图3）必须设置在规定范围之内以保证泵的正常性能。

根据泵执行的标准不同，密封环间隙数值也不同，如果是API610标准的泵，则不同直径规定了密封环最小间隙数值。

通常效率随着密封环间隙的增加而减小，前密封环间隙扩大引起效率相对变化率明显大于后密封环；扬程随着密封环间隙的扩大而减小，前密封环间隙对扬程相对变化率也明显大于后密封环；轴功率随着间隙的增加而增高[2]。

图3闭式叶轮示意图
随着闭式叶轮密封环间隙的增加，必需汽蚀余量就会增加。

必需汽蚀余量的增加取决于泵的设计情况。

当叶轮密封环直径增大时，其间隙也随之增大，对于给定的间隙增大量，对必需汽蚀余量的影响也增大。

如果其比率小，增加同样间隙对必需汽蚀余量的影响也就小。

在粘度一定的情况下，前密封环间隙增加引起泵性能的变化比后密封环大，前后口环同时增加对泵性能的影响最大。

因此，在离心泵的设计、制造和装配过程中都要合理规定和控制前后密封环的间隙，运行中尽量避免前后密封环间隙同时扩大的情况。

三、叶片顶端至泵体隔舌的间隙与性能的关系
图1、2、3里的B间隙是从叶片顶端到泵体隔舌之间的距离。

当叶轮直径增大时该间隙将缩小，液流由叶片顶端通过泵体隔舌时产生的水力冲击就增大。

即全部振动幅度，尤其是与叶片通过频率相关的振动顶点会随着B间隙的变小而增高。

对双吸式叶轮来说，当B间隙为叶轮半径的12%时，改变B间隙会明显改变由叶片通过频率引起的振动级别。

这种效果常常在高能量泵（单级扬程在183米以上）上表现得尤为明显。

与B间隙变化相关的振动变化程度随着泵的设计与型式的不同而不同。

因此，增大叶轮与隔舌的间隙，使液体扰动状态得到改善，压力脉冲波幅减小，故使振动速度值降低。

所以，增大隔舌间隙是减轻泵振动的一种有效措施。

但必须指出，若隔舌间隙太大，必然使泵性能降低，特别是
泵效率下降更为明显[3]。

增加B间隙也可以通过不修整叶片，而用切削或磨削掉小部分泵体隔舌的方法。

泵体隔舌需要完全倒圆（外圆角）以减弱水力冲击幅度。

同时建议增加B 间隙的值不要超过8%，这种方法只会轻微改变水力性能。

隔舌间隙增大和隔舌安放角扩大，流体经隔舌处到泵体内的回流量增加，出现环流区，容积损失增加，故使泵容积效率下降；同时在泵体内涡流损失、局部损失等水力损失，也有可能增加，致使水力效率有所下降。

隔舌间隙增大后，要保证工艺流程系统中流量不变，就必须使叶轮流量大于间隙未变时，泵的扬程将有所降低，这样才能保持泵在所要求的工况点运行。

四、结语
1.对于半开式离心泵，粘度不变的情况下随着间隙的增大，扬程和效率将下降，轴功率将相应的增大；
2.前密封环间隙对离心泵性能的影响比后密封大；
3.泵的隔舌安放角和间隙对泵性能影响较大。

增大隔舌间隙，使泵性能降低，尤其是泵效率下降明显。

参考文献
[1]李红，冯世峰，王涛等轴向间隙对纸浆泵性能的影响规律[J] 排灌机械工程学报第29卷第3期2011.5.
[2]李文广，费振桃，蔡永雄；离心油泵叶轮口环间隙对性能的影响[J]水泵技术2004.5 .
[3]何希杰，顾春万，尚淑君等；泵隔舌间隙对性能影响的试验研究[J]流体机械第23卷第6期1995.6 .
2002.11-2012.3大连苏尔寿泵及压缩机有限公司工程部设计工程师。

2012.4-至今惠生工程（中国）有限公司设计中心动设备设计工程师。