轴向力的平衡问题一直以来都是离心泵行业内关注的焦点,现有的轴向力平衡装置大多结构复杂,所能平衡的轴向力较小,且对泵性能有着较大的影响。因此,对于新型轴向力平衡装置的研究具有重要意义。本文根据泵腔流动特性,提出了离心泵柱塞式轴向力平衡装置,采用理论计算、数值模拟和试验验证的方法,对其进行了研究,并得到了相关结论。(1)为研究离心泵柱塞式轴向力平衡装置的盘腔流动机理,设计了盘腔压力试验装置,引入了隙径比、压力系数和旋转雷诺数等无量纲参数,并定义了盘腔系数。在隙径比为0.0026,盘腔系数为0.058、0.077的情况下进行了试验研究,结果表明:各测压点压力系数随流量的增大而减小,随半径的增大而增大,在盘腔内压力系数与半径近似为线性变化规律,与旋转雷诺数的变化曲线呈抛物线上升。旋转雷诺数的增大将导致盘腔内半径方向压力梯度增大。盘腔系数增大后,各工况下扬程和轴功率略微下降,效率有所上升。(2)从理论的角度出发,提出了盘腔流动的相关假设,结合边界条件,对Navier-Stokes方程进行化简,得到了盘腔压力计算公式。在隙径比为0.0013、0.0026、0.0039,盘腔系数为0.019、0.038、0.058、0.077、0.097、0.116的情况下,进行了数值计算,引入泄漏量系数,分析了隙径比、盘腔系数对盘腔压力和泄漏量的影响,结果表明:盘腔压力系数与盘腔系数变化曲线近似呈线性增长,其斜率随隙径比增大而减小。盘腔压力系数随隙径比的增大而增大,随后趋于平缓。泄漏量系数与隙径比、盘腔系数呈正相关,隙径比为影响泄漏量的主要因素,盘腔系数为次要因素,且隙径比为0.0013时泄漏量最小。(3)将叶轮上的轴向力按作用部位进行了分类,通过数值计算,研究了各轴向力与盘腔系数、隙径比的变化规律。研究结果表明:前盖板轴向力在各轴向分力中占主导地位,叶轮内部轴向力可忽略不计,隙径比和盘腔系数的变化将导致后盖板轴向力的改变,其他轴向分力基本不受其影响。后盖板轴向力与盘腔系数变化曲线呈线性增长,与隙径比变化曲线近似呈幂函数增长。各盘腔系数对应的轴向合力与隙径比的变化曲线均存在零点,主要分布在0.0025和0.0035之间,且多数位于0.003附近。通过3组隙径比与6组盘腔系数的合理搭配,柱塞式轴向力平衡装置可平衡约3500 N的残余轴向力。