刘东升 钱俊 霍幼文
上海凯士比泵有限公司 上海 200245
摘 要：叶轮平衡孔是离心泵设计中常见的一个要素。叶轮轮毂上添加平衡孔，会减小离心泵轴承所承受的轴向力，提高离心泵的使用寿命。但同时会降低泵的扬程和效率，增加泵组电能的消耗。通过分析三台不同比转速水力模型的离心泵试验数据，研究平衡孔对离心泵水力性能的影响。定量描述增加平衡孔后，流量扬程和流量效率的变化，并对平衡轴向力的各种方法做了简单介绍。对于大流量大功率的应用场合，建议选用对称吸入的双吸离心泵。
关键词：离心泵；平衡孔；轴向力；扬程；效率
1. 引言
近年来在离心泵的研究领域出现了许多科研成果，涉及到产品结构、材料工艺、水力性能、空化性能、力特性、压力脉动、振动噪声以及专利标准等等[1-11]。在细分领域离心泵平衡轴向力方面，提出了许多新的方案[12-17]，并且应用到各种工业场景，取得了良好的效果。
不同的客户对离心泵的需求是不一样的，这需要设计师进行差异化的深度设计，兼顾制造成本、运行能耗及备件消耗等等。对于单级离心泵而言，大多数会选择带有平衡孔的叶轮，以减小泵的轴向力，减轻对轴承的磨损，增加泵的可靠性并延长寿命。
平衡孔对离心泵效率有多大影响，对流量扬程会造成哪些变化，国内外有许多学者进行了研究，但少有针对具体案例的定量描述。一般来说增加平衡孔后，会造成扬程和效率的下降。下面通过三台不同比转速水力模型离心泵的试验数据，来进行对比分析，定量描述增加平衡孔后，离心泵水力性能的变化规律。
2. 离心泵结构及主要零件
离心泵为水平卧式安装，左侧通过进口锥管水平进水，经过叶轮、导叶体、出口弯管后水平出水。右侧通过联轴器、扭矩仪和电机相联，见图1、图2。为了研究平衡孔对离心泵水力性能的影响，同一台泵分别采取两种叶轮做试验，一种是有平衡孔的叶轮，一种是无平衡孔的叶轮。两种叶轮的差异就在于平衡孔有无，见图3。
图1：试验台位上的离心泵
图2：离心泵结构示意图
图3：有平衡孔的叶轮和无平衡孔的叶轮
在试验过程中，先后采用了三台不同比转速水力模型的离心泵，除了叶轮和导叶体等零件外，其余零件及安装尺寸完全相同。三台离心泵的叶轮及平衡孔的特征尺寸见表1。
表1：离心泵叶轮的特征尺寸表
单个平衡孔的面积为95 mm2，全部7孔的面积为665 mm2。叶轮轴孔直径尺寸均为55 mm，轴上安装尺寸相同。泵的旋向相同，从进口看逆时针方向旋转。
通常取平衡孔的总面积等于5～8倍密封环间隙的面积，平衡孔的泄漏量一般为设计流量的2%～5%。为了减少因平衡孔的泄漏造成的容积损失，选取平衡孔的总面积为密封环间隙面积的3倍左右，还剩余部分轴向力由轴承来分担。
3. 离心泵试验台及试验方法
离心泵试验所采用的试验台，为高精度水泵模型及装置模型通用试验台，采用立式闭循环水系统。试验台效率测试综合误差，优于中华人民共和国水利部标准SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》和ISO/DIS 5198《离心泵、混流泵和轴流泵验收试验规范-A级》的要求。
试验台主要循环系统有试验段、空化筒、稳流筒、辅助泵、正反向供水切换管路、智能电磁流量计、智能压力传感器等。
在效率试验前，模型泵应在额定工况点运转30分钟以上，排除循环系统中游离气体，其间应检查泵的轴承、密封、噪声和振动状况。性能试验应在无空化条件下进行。
试验测点合理分布在整个性能曲线上，试验前进行各测量传感器调零。试验曲线试验点数为19个。试验流量范围0～900 m3/h，扬程范围30～65 m，电机功率110 kW，试验转速1480 r/min。试验工况稳定后，试验系统在无任何人为干扰条件下，连续进行三次测试，每次测试时间为30秒，三次测试效率最大值与最小值之差应小于0.3 %，否则需重新进行测试，取三次测量的中间值作为最后测试结果。
试验流量由小到大，然后再由大到小顺序进行，试验从零流量点开始，一直进行至到大流量结束，然后从大流量点开始，一直进行至到零流量结束。根据上述试验结果确定离心泵的最优运行区间。同时测取流量、扬程、转速、轴功率、绘制流量扬程曲线和流量效率曲线。
4. 离心泵试验结果及对比分析
4.1 离心泵TS3（ns=100）试验结果分析
在试验转速为1480 r/min的条件下，叶轮有无平衡孔的试验曲线见图4。经过对比可以看出：
叶轮在有平衡孔的情况下与无平衡孔相比，流量扬程曲线在小流量下基本一致，在0.6倍额定流量至大流量下扬程偏低，随着流量的增大，扬程的差别越来越大。在额定流量596 m3/h下扬程偏低（48.7-47.2）/ 48.7=3.1 %。
叶轮在有平衡孔的情况下与无平衡孔相比，流量效率曲线普遍偏低，整个效率曲线向下平移。在额定流量Qn =596 m3/h下效率偏低（81.8-79.6）/ 81.8=2.7 %。
图4：离心泵TS3性能曲线图
4.2 离心泵HS1（ns=130）试验结果分析
在试验转速为1480 r/min的条件下，叶轮有无平衡孔的试验曲线见图5。经过对比可以看出：
叶轮在有平衡孔的情况下与无平衡孔相比，流量扬程曲线在小流量下基本一致，在0.6倍额定流量至大流量下扬程偏低，随着流量的增大，扬程的差别越来越大。在额定流量592 m3/h下扬程偏低（49.2-48.4）/ 49.2=1.6 %。
叶轮在有平衡孔的情况下与无平衡孔相比，流量效率曲线普遍偏低，整个效率曲线向下平移。在额定流量Qn =592 m3/h下效率偏低（84.1-79.1）/ 84.1=5.9 %。
图5：离心泵HS1性能曲线图
4.3 离心泵CS1（ns=140）试验结果分析
在试验转速为1480 r/min的条件下，叶轮有无平衡孔的试验曲线见图6。经过对比可以看出：
叶轮在有平衡孔的情况下与无平衡孔相比，流量扬程曲线在小流量下基本一致，在0.6倍额定流量至大流量下扬程偏低，随着流量的增大，扬程的差别越来越大。在额定流量719 m3/h下扬程偏低（44.2-42.3）/ 44.2=4.3 %。
叶轮在有平衡孔的情况下与无平衡孔相比，流量效率曲线普遍偏低，整个效率曲线向下平移。在额定流量Qn =719 m3/h下扬程偏低（79.2-76.4）/ 79.2=3.5 %。
图6：离心泵CS1性能曲线图
4.4 三台离心泵试验结果的对比分析
在试验过程中，先后采用了三台不同比转速水力模型的离心泵，分别做了叶轮无平衡孔和有平衡孔的对比试验。发现有平衡孔后，在流量不变的条件下，扬程和效率都有下降。在额定流量Qn下，扬程平均下降3 %效率平均下降4 %。在小流量0.6Qn下，扬程平均下降0.3 %效率平均下降3.6 %。在大流量1.2Qn下，扬程平均下降4 %效率平均下降3.6 %。三台离心泵的性能参数变化见表2。
表2：离心泵有平衡孔后性能参数变化表
从以上试验数据可以看出，在离心泵的常用运行区间0.6Qn～1.2Qn内（Qn为额定流量），当增加平衡孔后，效率普遍下降1.6 %～5.9 %，平均下降3.7 %。从节能降耗的角度来看，选择带有平衡孔叶轮的离心泵，是不合适的。
5. 离心泵平衡轴向力的多样性
由于离心泵运行时叶轮进出口压力差的存在，不可避免的产生轴向力。对于不同的应用场景，则有不同的平衡轴向力的方法，平衡孔、平衡管、平衡盘、平衡鼓、背叶片、对称吸入结构等等。平衡各种受力减少磨损碰撞，保障泵组持久稳定运行。当维修费用低于节省的电费，节能降耗才显得更有意义。
小流量的单级离心泵，多采用带有平衡孔的离心泵叶轮。高扬程的多级离心泵，多采用平衡盘或平衡鼓来平衡轴向力，或者再增加平衡孔来平衡残余轴向力。由于上述方案都会通过平衡孔或平衡管，产生液体回流带来容积效率损失，并且液体回流到叶轮进口，会造成流态紊乱，增加水力效率损失。而对称吸入结构的双吸离心泵，则不存在这个问题。
对于大流量大功率的离心泵，则多采用对称吸入的双吸离心泵方案。既能平衡轴向力减轻轴承磨损，提高泵的使用寿命，又能不降低泵的效率，并节省运营电力成本，还有一个优点是维修拆装方便。因此有着广泛的市场应用，尤其是在市政供水泵站、大型水利工程调水泵站等等。双吸离心泵有单级、双级和多级之分，常见的有单级双吸离心泵（1个叶轮）、双级双吸离心泵（3个叶轮）和三级双吸离心泵（5个叶轮），见图7。
图7：上海凯士比公司三种双吸泵结构示意图
6. 结论
根据试验结果及对比分析，离心泵叶轮增加平衡孔后，扬程效率等水力性能发生了明显的变化：
1）三台不同比转数的离心泵，在叶轮有平衡孔的情况下的流量扬程曲线，在所有流量下，叶轮有平衡孔的比无平衡孔的扬程降低。随着流量的增加，扬程降低的差距加大。在小流量0.6Qn下，扬程几乎重合没有差距，在额定流量及大流量下，差距逐渐加大。在额定流量下扬程平均降低约3 %。
2）在叶轮有平衡孔的情况下的流量效率曲线，其变化特点是在所有流量下，叶轮有平衡孔的比无平衡孔的效率降低。在额定流量下效率平均降低约4 %，偏离额定流量时，效率降低略有缩小。
3）对于大流量大功率的应用场合，建议选用平衡轴向力的对称吸入的双吸离心泵方案，避免泵效率降低增加电能消耗，以节省运营电力成本。
7. 参考文献
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第一作者简介：刘东升（1965— ），男，高级工程师，主要从事特殊电机、特殊泵及变频驱动技术的研究工作。
通讯作者简介：霍幼文（1966— ），男，教授级高级工程师，主要从事电站泵、特殊泵及泵系统节能降噪的研究工作。
基金项目：上海市闵行区2019年度先进制造产业扶持项目（批次：第一批）
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