背叶片的作用及对离心泵的影响
背叶片的作用及对离心泵的影响
前言
本文详细介绍了背叶片的功能、背叶片与壳体之间间隙的大小对轴向推力和泵性能的影响。内容主要来源于pump magazine。
正文
人们经常在ANSI泵的叶轮（后）盖板的背面看到一些肋板，这些肋板有人称之为泵出叶片（pump out vanes, POV），还有人称之为背叶片。采用POV的主要原因是降低叶轮和泵壳之间空间中的压力、改变泵的轴向推力（见图1）。POV相当于辅助叶轮，限制液体进入叶轮（后）盖板和泵壳之间的间隙。
图1 - 带泵出叶片（背叶片）的半开式叶轮
叶轮的旋转导致叶轮和壳体壁之间间隙内的流体“拖入旋转”。这类似于茶匙在杯子中的运动，或圆盘在容器内旋转。由此产生的运动称为“强制涡旋”。这种涡流会在前后间隙中形成，即在壳体壁与叶轮前部（如图1右侧所示）和后部轮毂（如图1左侧所示）之间。间隙中的压力分布呈抛物线 – 在叶轮外径处较高，并向轴中心线逐渐减小。
压力乘以面积等于力 – 从两侧（FR和FL）施加在叶轮上。这些力之间的差值就是水力轴向推力，该水力轴向推力最终传递到轴承上，因此，希望越小越好。间隙中给定位置的压力取决于半径、流体的旋转速度（除以叶轮转速）和间隙。
曲线（1）显示了没有泵出口叶片的叶轮轮毂后面的静压分布。从基本水力学知识可以了解到，流体运动越快，静压就越低。所以，如果能让间隙中的流体旋转得更快，静压就会降低，力FL变小，更接近FR，希望等于FR，从而减小或消除净推力。
如果没有POV，间隙中的流体仅通过叶轮轮毂壁的摩擦（拖动）旋转。它在叶轮壁表面以与叶轮相同的速度旋转，但是（在所谓的“不打滑状态”）在壳体壁上不旋转，因为该壁是固定的。因此，平均而言，间隙中的大部分流体以等于叶轮角速度一半的速度旋转。
但是，如果添加了POV，流体会被“困”在POV空间内，因此以与叶轮相同的速度旋转，即，流体的旋转速度是没有POV时的两倍。当然，假设POV和壳体壁之间的间隙（理论上）为零（x=0）。POV的数量实际上并不一定要等于叶轮主叶片的数量，但是为了简单起见，通常是由于铸造生产工艺而定。
显然，间隙“x”不可能为零，因此压力分布（标记为“2”的曲线）的实际减小量较小，这取决于间隙“x”。如果此间隙过大，POV的影响就会减小，并最终消失。事实证明，POV在x =０时最有效，而在x =ｔ，即当间隙（x）变得等于泵出叶片（t）高度时，POV完全无效。
与泵出叶片相似，平衡孔也用于降低叶轮和泵壳之间空间中的压力。事实上，这就是它们被称为“平衡”的原因。为了有效，叶轮和外壳之间必须有一个紧密的间隙（见图2），以将高压区和低压区分开。因此，平衡孔将叶轮背面与压力低（接近吸入口）的进口区域连接起来。带平衡孔的叶轮会发生一些泄漏，降低效率。如果没有间隙，如图1所示，泄漏会更大，效率会更低。
图2 - 带平衡孔的叶轮
采用POV的另一个原因是降低机械密封区域的压力。这些叶片的产生的效果可能非常强，有时甚至会产生真空，使液体沸腾。这可能会带来麻烦，因为机械密封不喜欢在蒸汽环境中工作。
关于性能－轴向推力平衡是有代价的，因为加速液体旋转所需的额外动力会降低泵的效率。这就是为什么高能泵，如API泵或锅炉给水泵，很少带有泵出叶片，而功率相对较低的ANSI泵则有这些。
请注意：图１显示了一只半开式叶轮。叶轮和外壳之间的前间隙必须紧密（通常为0.015-0.030"，具体取决于泵的大小）。因此，从效率和推力的角度来看，挑战在于保持前后间隙都很小。闭式叶轮解决了这个问题，但代价是处理粘性物质（如纤维状固体）的能力降低。