葉輪背葉片對高壓離心風(fēng)機性能影響的研究

馬強，尹成效

（上海沃克通用設(shè)備有限公司，上海 201414）

隨著環(huán)保行業(yè)的快速發(fā)展，市場對單級高壓離心風(fēng)機的需求明顯增加。尤其在電子芯片行業(yè)，高潔凈度要求使得過濾器數(shù)量增加，對高壓離心風(fēng)機的壓力要求超過29000Pa。我公司在研發(fā)該單級單吸高壓離心風(fēng)機的過程中發(fā)現(xiàn)，葉輪選擇產(chǎn)生的軸向力對軸承的溫升和壽命有很大影響。但國內(nèi)外研究離心風(fēng)機葉輪軸向力及其平衡措施的文獻極少，本研究借鑒離心泵葉輪軸向力研究方法和背葉片研究方法為基礎(chǔ)，開展離心風(fēng)機葉輪軸向力和背葉片研究。從而較為準確地評估其軸向力，并利用背葉片相關(guān)技術(shù)解決離心風(fēng)機葉輪的軸向力平衡問題。

1 離心風(fēng)機軸向推力產(chǎn)生的原因

離心風(fēng)機在運轉(zhuǎn)時，由于離心葉輪不對稱，在葉輪前盤吸入口形成低壓，在葉輪背部形成高壓，由于葉輪前后的氣壓不同，會在葉輪的前盤和后盤之間形成壓差，作用于前盤與后盤上的壓力不能互相平衡，于是產(chǎn)生從后盤指向進風(fēng)口的軸向力。該軸向力與進風(fēng)口面積和進風(fēng)口壓力成正比。工程中為了簡便而快速的計算軸向力，通常軸向力計算公式為Fa=P×S。

式中，F(xiàn)a為軸向力，N；P為風(fēng)機吸入側(cè)壓力，Pa；S為進風(fēng)口面積，㎡。

2 軸向力對軸承壽命的影響

在高壓風(fēng)機設(shè)計和實驗過程中發(fā)現(xiàn)，軸向力對軸承的溫升和壽命影響非常大，成為高壓風(fēng)機能否安全可靠運行的關(guān)鍵性因素。工程中，很多項目已經(jīng)采用背葉片來部分平衡軸向力，以降低固定端軸承承受的軸向載荷，從而提高軸承壽命，降低軸承的運行溫度。背葉片結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在流體機械中有著廣泛的應(yīng)用。但在高壓風(fēng)機設(shè)計領(lǐng)域，由于現(xiàn)在數(shù)學(xué)方法、流體力學(xué)和實驗技術(shù)發(fā)展的不足，加上流體機械內(nèi)流動的復(fù)雜性，軸向力至今仍然是“難計算，難測量”，還處于估測估算階段。這嚴重影響了利用背葉片平衡軸向力計算分析的準確性，同時制約了背葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的發(fā)展。目前，國內(nèi)外技術(shù)人員在設(shè)計背葉片結(jié)構(gòu)時，還是依據(jù)經(jīng)驗來選定尺寸參數(shù)。

在設(shè)計高壓離心風(fēng)機時，由于無法準確計算出背葉片的寬度，所以設(shè)計人員一般先計算無背葉片時，葉輪產(chǎn)生的軸向力，并根據(jù)軸承計算公式，將其等效計算為當量動載荷，進而計算軸承的理論使用壽命。然后，根據(jù)上述方法再次計算軸向力為0時的軸承理論使用壽命，最后根據(jù)以往工程項目經(jīng)驗估算背葉片寬度再進行校核。

這種設(shè)計方法是目前較常用的一種方法。例如，在武漢某顯示科技有限公司項目中設(shè)計一批單級單吸懸臂高壓離心風(fēng)機，靜壓達到29000Pa，轉(zhuǎn)速2980RPM，葉輪及主軸總重量188kg，軸承采用SKF公司制造的22220EK型號，葉輪進風(fēng)口直徑380mm，入口處負壓-14500Pa，出口處正壓14500Pa。需要驗證軸向力對軸承的影響范圍。軸承型號及參數(shù)見表1。

表1 離心風(fēng)機軸承參數(shù)

第一種情況，葉輪無無背葉片，軸承壽命計算如下。

軸向力Fa=3.14159×0.38×0.38/4×14500=1644N=1.644kN

徑向力Fr=188×9.8/1000=1.842kN

當量動載荷P=0.67×Fr+Y2×Fa=0.67×1.842+4.2×1.6 44=8.139kN。

軸承的壽命Lnmh=106×(C/P)3.3333/60/2980=106×(425/8.1 39)3.3333/60/2980=2976405小時。

第二種情況，設(shè)計時增加背葉片，假設(shè)背葉片正好平衡軸向力，軸承壽命計算如下。

軸向力Fa=0KN

徑向力Fr=188×9.8/1000=1.842kN

當量動載荷P=Fr+Y1×Fa=1.842+0=1.842kN

軸 承 的 壽 命Lnmh=106×(C/P)3.3333/60/2980=106×(425/1.842)3.3333/60/2980=421337550小時。

從表2軸承壽命對比表發(fā)現(xiàn)，如果設(shè)計出正好平衡軸向力的背葉片，軸承壽命可從297萬小時提高到42133萬小時，提升141.86倍。對于單吸高壓風(fēng)機，背葉片的研究非常重要且有重要意義。

表2 有無背葉片時軸承壽命對比表

3 離心風(fēng)機背葉片試驗結(jié)果與分析

背葉片的主要作用是平衡軸向力，但由于流體機械的軸向力計算一直是個難題，用現(xiàn)有的理論計算的軸向力與試驗結(jié)果相差很大，這是有多種原因引起的，如流道的加工誤差、流體的邊界條件設(shè)置、設(shè)備內(nèi)泄漏等。很多研究表明，即使采用ANSYS－Fluent 軟件進行數(shù)值計算，有時也不能取得較為精確的數(shù)據(jù)，甚至與實際值相比，誤差會超過15%。為了取得較真實準確的數(shù)據(jù)，本研究借用武漢某項目中一臺29000Pa高壓風(fēng)機作為研究對象，在葉輪后盤背側(cè)焊接寬度b為10mm、15mm、20mm、25mm的4個呈十字型分布的徑向背葉片進行實驗。本研究根據(jù)《離心泵軸向力測試方法的研究》一文中介紹的“直接測量法”進行測量。直接法測量軸向力的主要特點是將待測的軸向力與其他力學(xué)量（如彈簧拉力、砝碼重力或液壓力等）相平衡，再使用測力裝置測試該平衡力，從而得到直觀的軸向力數(shù)值。該方法簡單準確，測試結(jié)果如表3所示。

從表3可以得出結(jié)論，不斷增加背葉片寬度b，會使得軸向力減小，方向從葉輪進風(fēng)口指向葉輪背板。當背葉片寬度b=20mm時，此時，葉輪軸向力和背葉片產(chǎn)生的反軸向力接近平衡。當背葉片繼續(xù)加寬，此時，反軸向力大于軸向力，合力方向由葉輪后盤指向葉輪進風(fēng)口。當軸向力和反軸向力平衡時，軸承只承受徑向力，幾乎不承受軸向力，此時，軸承運行狀態(tài)最佳，滾動摩擦力矩和滑動摩擦力矩最小，因此軸承發(fā)熱最少，軸承運行溫度最低，軸承壽命最長。

表3 軸向力測量結(jié)果

為了同時研究背葉片對風(fēng)機風(fēng)量、靜壓、軸功率、靜壓效率的影響，本研究對不同背葉片的葉輪進行了性能實驗，實驗數(shù)據(jù)見圖1。從中可以看出，隨著背葉片寬度的增加，風(fēng)機的靜壓逐漸上升，最高點從29.8kPa上升到31.3kPa，上升了5.03%。軸功率從412kW上升到445kW，軸功率上升了8%。按照圖4數(shù)據(jù)計算風(fēng)機靜壓效率，靜壓效率則降低了2%。背葉片對風(fēng)量幾乎沒有影響。

圖1 不同背葉片寬度b時風(fēng)機性能曲線

4 結(jié)語

（1）單吸高壓風(fēng)機運行時產(chǎn)生的軸向力非常大，對軸承壽命有極大影響。

（2）隨著背葉片寬度的增加，軸向力先減小后增加，臨界點軸向力為0，經(jīng)過臨界點后軸向力逐漸增加，方向反向。

（3）通過合理設(shè)計背葉片寬度，可以平衡軸向力。

（4）軸向力為0時，軸承摩擦力矩最小，發(fā)熱最少，軸承運行溫度最低，軸承壽命最長。

（5）增加背葉片寬度，風(fēng)機的靜壓增加，但軸功率也增加，靜壓效率下降。背葉片對風(fēng)量幾乎沒有影響。

（6）本研究僅針對4片呈十字型分布的徑向背葉片進行了研究，其他背葉片形狀、數(shù)量、分布狀態(tài)對風(fēng)機的影響還需進一步研究，不能簡單借用本研究結(jié)論。