多级离心泵的轴向力研究

多级离心泵的轴向力研究

钟合

国家管网集团广西防城港天然气有限责任公司 广西防城港 538000

摘要：改革开放以来,随着我国工业发展的不断提升和进步,在工农业生产过程中逐步引进了新的设备和理念,为提升我国工农业生产效率提供了重要的保障。基于此，本文对多级离心泵的轴向力进行研究分析。

关键词：多级离心泵；轴向力；平衡

引言

由于压差力和动反力等因素的共同作用，离心泵叶轮会受到从后盖板指向前盖板的轴向力，尤其对于单向排列的多级泵来说，叠加而成的轴向力对泵组的可靠运行影响巨大。

1离心泵工作原理及基本性能

1.1　工作原理

离心泵起到主要作用的是叶轮，液体能量主要是依靠叶轮旋转来获得的，其减速液体动能在蜗壳中被收集起来，将液体所具有的动能转变成压力能，而起到压送液体的作用。当离心泵内充满液体的情况下，叶轮旋转产生离心力，在离心力作用下叶道内部的液体借助于叶片的作用甩向外围流进泵壳，通过排出管排出；另外液体还会受到离心力的作用从中心高速向四周流动，于是叶轮的中心部位压力降低，形成真空状态，且低于大气压力；因此，液体在这个压力差的作用下，由吸液池进入泵内，使离心泵能连续不断地进而进行一系列液体的吸入和流出。

1.2　离心泵基本性能

1）离心泵的特点是大流量，需要注意可能会跟随扬程发生变化。2）扬程的主要作用：扬程决定了离心泵当中的叶轮外径，以及叶轮自身的转速大小。3）扬程不仅仅与叶轮的外径与转速有关系，还与轴功率与流量之间存在一种对应关系。4）离心泵的吸入高度通常比较小，在实际操作当中可能会出现汽蚀现象。5）具有很高的转速，而且如果相对流量比较低，那么就会降低效率，如果相对流量比较高，效率也就会提高。

2　轴向力分析

如果吸排液口处存在压力不同的情况，则会导致叶轮两侧不对称，进而产生明显的轴向力。根据液体压力分布情况（如图1）。

图1　轴向力的产生

叶轮右边受力为：

F_右=πr₂²p²

叶轮左边受力为：

F_左=πr²₁p₁+π（r²₂-r²1）p²

式中r₁—叶轮内圆半径；r₂—叶轮外圆半径。

两力之差为：

ΔF=F_右-F_左=πr²₁（p₂–p₁）

因为F_右>F_左，故ΔF属于正值。所以离心泵工作时转子始终受到一个轴向力的作用，造成转子向叶轮吸入口发生轴向窜动，从而引起离心泵运行时发生振动，严重时把泵部件损坏而影响正常工作。

3　轴向力的平衡方法

3.1　采用止推轴承法

离心泵运行中比较常见的轴向力平衡方法有止推轴承法，这种方法借助了轴向支撑型式；另外转子本身会有一种轴向力，在这一过程中并不会发生抵消，导致这种轴向力作用到轴承上进而传递到泵体上。如果工作中的轴向力较大，那么就会缩短轴承寿命和引发泵体振动；所以在实际工作中比较常见的处理方法是将止推轴承应用在小型泵中，因小型泵产生的轴向力较小。

3.2　选择开平衡孔的形式

开平衡孔的部位是叶轮轮盘上，而具体的位置是吸液口处，平衡孔可以开几个，这样做的目的是让轮盘前后的空间连通起来，能够达到一种均压的作用。除此之外还要在轮盘的外侧与吸液口相对的地方设计一个密封凸缘，将其与泵壳上面的密封环形成一种迷宫密封（如图2），这样就可以减少叶轮吸液口轮盘两侧之间的液流压力差，起到的最为明显的作用就是平衡轴向推力。平衡孔的面积要保持在一定的范围之内，防止出现过大的情况。

图2平衡孔示意图

3.3　平衡管

这里所说的平衡管的作用是平衡泵的轴向力，减少转子的轴向窜动，避免叶轮与外壳发生磨擦。这种方法的原理与开平衡孔的原理是一样的，在泵体上安装平衡管；当条件满足后，叶轮两侧的压力就会基本上保持在平衡状态之下，就可以减少压差和轴向力。

3.4　安装平衡叶片

设计人员可以将平衡叶片设计在轮盘外面，具体工艺是在轮盘外面铸出几片盘条状的平衡叶片。工作原理是叶轮在转动的时候，通过平衡叶片将轮盘、壳体间的液体带动起来，近轴处在离心力作用下而形成低压，其产生的推力在叶轮背后与液流作用在叶轮前面推力相互平衡；因此设计的时候要充分考虑到平衡叶片的长度、高度和叶片数，除此之外还要结合泵壳间的间隙来完成设计。轴向力因为平衡叶片的作用基本上得到平衡，减少了对离心泵运行的影响，从而在很大程度上提高着离心泵的工作效率。

3.5　叶轮对称布置

多级泵当中经常应用到叶轮对称布置的方法，泵的所有叶轮通常都是被均分成为两侧对称方向来完成布置的。布置叶轮原则上要保持级间过渡的简单性，这样可以利于铸造进而减少阻力的损失。另外要确保两端轴封侧设计低压级，以达到减少轴封所受压力的目的；此外还要在设计的时候重视级差的控制，减少级间泄漏情况的发生。

3.6　采用平衡鼓

平衡鼓的位置设计安装在末级叶轮后面，其结构为一个套式圆柱体和泵轴装配成一体随着泵轴旋转。平衡鼓的外圆表面会与泵体之间配合有一个径向间隙b

₁（如图3）。末级叶轮设计有后室泵腔，与吸入口后面连通有一个平衡室，平衡鼓前面压力p₂约等于末级叶轮的出口压力p₃，从示意图可以看出压力p₄基本上等于吸入室和平衡管中阻力损失之和，形成指向背向吸入口的平衡力。但是值得注意的是平衡鼓装置只能平衡轴向力，转子的位置不受其限制。如果在运作过程中工况发生变化的时候，转子会发生一种没有规律的窜动，最终导致不平衡力的产生。所以为确保离心泵工作中平稳、高效率地运行，尽可能合理地增装止推轴承以达到理想的平衡效果。

图3平衡鼓结构示意图

3.7　采用平衡盘

平衡盘的结构（如图4）就是其装在末级叶轮之后，随转子一起旋转，平衡盘装置有两个间隙，一个是由轴套外圆形成的径向间隙b₁，另一个是平衡盘内端面形成的轴向间隙b₂，平衡盘后面平衡室与泵吸入口联通；平衡盘可以自动平衡轴向力，并可避免泵的动静部分碰撞和摩擦，结构紧凑，故在多级离心泵中广泛采用；但是泵在启动时，由于未级出口处的压强尚未达到正常值，平衡盘的平衡力严重不足，泵轴将向泵吸入口发生窜动，平衡盘与平衡座之间产生摩擦造成磨损，停泵时也存在平衡力不足现象，因此一般都配有推力轴承。

图4平衡盘结构示意图

3.8　采用平衡盘与平衡鼓联合装置

平衡盘与平衡鼓联合装置法是平衡轴向力的重要方法之一，轴向力50%~80%可通过平衡鼓平衡掉，最后由平衡盘将剩下的轴向力平衡掉（如图5）。从图中可以看出，如果径向间隙宽度b₁是相同的，那么就可以得到一个比较大的间隙b₂，然而平衡盘在一定程度上被保护着而不发生磨损，能得到正常平稳的工作。离心泵工作时在轴向力作用下可能会破坏平衡结构，为避免这一情况的发生需要在离心泵上面设计安装止推轴承，借助止推轴承的作用减小联合机构负荷。平衡盘与平衡鼓联合装置在减少离心泵的磨损和延长使用寿命起着重要作用，是多级离心泵解决轴向力的常用方法，但其缺点是会增加轴向长度，结构相对复杂，并且各方面技术要求高，给设计、加工、装配带来一定难度。

图5平衡盘与平衡鼓联合装置

4　结论

离心泵与其它种类的泵相比，不但构造简单、能直接与电动机相连、不受转速限制、不易磨损，并且具有运行平稳、噪声小、出水均匀、调节方便、效率高、运行可靠和维修方便等优点。在叶轮泵产品中，离心泵的使用量最大、使用范围也最广。因此，离心泵在各行各业中得到了广泛应用。

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