離心泵軸向力的產(chǎn)生及平衡措施

許華峰

（山東天弘化學(xué)有限公司，山東　東營　257000）

·探討與創(chuàng)新·

離心泵軸向力的產(chǎn)生及平衡措施

許華峰

（山東天弘化學(xué)有限公司，山東東營257000）

分析離心泵軸向力產(chǎn)生的原因，根據(jù)具體實(shí)際情況采用平衡措施，有效減少泵的故障，為裝置平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造有利條件,同時(shí)也降低了維修成本。

軸向力；平衡措施；軸向力計(jì)算

離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生軸向力，流體作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力主要是由于其作用在葉輪兩側(cè)的壓力分布不對稱而引起的，此軸向力在工況穩(wěn)定的情況下是一定值，即靜態(tài)軸向力，設(shè)計(jì)時(shí)一般采用平衡裝置將其平衡掉，剩余部分由止推軸承承擔(dān)；而實(shí)際上，作用在止推軸承上的軸向力并不是固定不變的，運(yùn)行工況、密封間隙、制造及裝配誤差等因素均會(huì)引起軸向力的變化，軸向力的變化部分稱之為動(dòng)態(tài)軸向力，而它是平衡裝置無法平衡的。加上各種軸向力計(jì)算公式理論上都存在著誤差，靜態(tài)軸向力的平衡也是不準(zhǔn)確的。這兩方面是引起泵本身及電動(dòng)機(jī)損壞的主要原因，極易造成作用在止推軸承上的軸向力過大或過小，軸向力過大則造成燒瓦、斷軸、密封隔板的損壞或增大止推軸承的摩擦，主軸、葉輪向進(jìn)口方向移動(dòng)致使葉輪與泵殼發(fā)生摩擦，電動(dòng)機(jī)負(fù)載加大；如果軸向力過小，則會(huì)引起轉(zhuǎn)子的前后竄動(dòng)。

一、軸向力原理

1.軸向力的產(chǎn)生

在離心泵中液體是在低壓力P1下進(jìn)入葉輪，而在高壓力P2下流出葉輪。由于出口壓力大于進(jìn)口壓力及葉輪前后蓋板的不對稱，使得葉輪兩側(cè)所受的液體壓力不相等，因而產(chǎn)生了軸向推力，如圖1所示。

從圖1可以看出，作用在葉輪右邊的壓力為:P右=πr22P2;作用在葉輪左邊的壓力為：P左=πr12P1+π（r22-r12）P2。式中r1、r2為葉輪的內(nèi)、外圓半徑，ΔP=P右+P左=πr12（P1-P2）。因P2＞P1，故ΔP是正值。因此當(dāng)離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總有一個(gè)沿軸并指向吸入口的力作用在轉(zhuǎn)子上。葉輪入口部位是低壓，而出口及葉輪背部是高壓，在葉輪的前輪蓋和后輪蓋之間形成壓差，這個(gè)壓差就形成了軸向力。由于不平衡軸向力的存在，使泵的整個(gè)轉(zhuǎn)子向吸入口發(fā)生竄動(dòng)，造成離心泵軸偏離原定位置，并使葉輪吸入口外圓與密封環(huán)產(chǎn)生摩擦，嚴(yán)重時(shí)離心泵不能正常工作，所以必須平衡軸向力，并限制轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)。

由于葉輪出口壓力P2與葉輪進(jìn)口壓力P1之差值越大，葉輪產(chǎn)生的軸向力就越大；適當(dāng)縮小前輪蓋間隙，可使軸向力相應(yīng)減少，當(dāng)離心泵減負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于葉輪出口與進(jìn)口壓差增加，以及流體的沖擊力減小，會(huì)導(dǎo)致軸向力增加，所以泵在減負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，要考慮止推軸承的承載能力。

圖1　離心泵軸向力示意

二、軸向力的計(jì)算（閉式葉輪）

目前對于離心式葉輪軸向力粗略的計(jì)算，可以采用以下公式，具體參數(shù)詳見表1。

式中：Hi——單級(jí)葉輪楊程，m；

K——實(shí)驗(yàn)系數(shù)，如表1所示；

r——葉輪半徑，m；

Rm——葉輪密封環(huán)半徑，m；

rh——葉輪輪轂半徑，m；

i——多級(jí)泵葉輪級(jí)數(shù)。

表1

三、平衡軸向力的措施

實(shí)際生產(chǎn)中，平衡軸向力的措施有很多，比如在葉輪上開平衡孔，在泵體上安裝平衡管，采用背葉片方法，使用平衡盤裝置等，可以根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。

（1）葉輪上開平衡孔在葉輪后蓋板上增加與前蓋板上相同的密封環(huán)A，并在后蓋板與吸入口相對的位置上對稱開平衡孔，以降低葉輪背面C空間的壓力，這樣可減少葉輪兩側(cè)空間壓差，平衡部分軸向力，見圖2。在離心泵運(yùn)行中總結(jié)了平衡孔總截面積為密封環(huán)間隙(密封環(huán)間隙為0.1～0.25mm)環(huán)形截面積的3～6倍。采用平衡孔措施，能夠平衡80%左右的軸向力，克服了軸向竄動(dòng)所產(chǎn)生的不良后果。這種方法在單級(jí)單吸離心泵上應(yīng)用效果顯著。

圖2　在葉輪上開平衡孔

在生產(chǎn)運(yùn)行中對IS150-125-315清水離心泵，經(jīng)常更換軸承、口環(huán)及軸承壓蓋，維修量很大并造成一定經(jīng)濟(jì)損失，增加了生產(chǎn)成本。在查找原因中發(fā)現(xiàn)葉輪的平衡孔為φ6mm×6mm，經(jīng)計(jì)算得出平衡孔面積遠(yuǎn)小于密封環(huán)間隙面積的3～6倍，軸向力沒有被克服而引發(fā)的離心泵損壞。在平衡孔采用φ8mm×6mm后，滿足了平衡孔面積在密封環(huán)間隙面積的3～6倍之間，解決了軸向力不平衡問題，減少了維修量，同時(shí)也降低了成本。

（2）泵體上安裝平衡管。在泵體上裝1根平衡管，使葉輪背面C空間與泵吸入口接通，并在葉輪后蓋上裝有密封環(huán)A，使葉輪兩側(cè)壓力基本平衡，同樣可以平衡軸向力，這種措施與葉輪開平衡孔基本相同。

（3）用背葉片方法平衡軸向力。背葉片加在葉輪后蓋板的外側(cè)，形成一個(gè)吸入方向同葉輪入口相反的半開式葉輪，它的葉片形狀大部分設(shè)計(jì)成徑向的直葉片，它的剩余力仍然由軸承承擔(dān)。其計(jì)算可按如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行：

式中：F——葉輪軸向力，N；

ω——背葉輪液體旋轉(zhuǎn)角速度，s-1，ω'=0.5ω（1+t/s）；

Rt——背葉片外半徑，m；

Rh——輪轂半徑，m；

s——泵殼與葉片的平均距離、距離，mm；

t——背葉片平均寬度，通常取t=5～8mm。

（4）平衡盤裝置。多級(jí)泵因其高壓輸送能力大，但在工作中所產(chǎn)生軸向力也較大，常用平衡盤來平衡軸向力。平衡盤裝置是由裝在泵軸上的平衡盤和固定在泵殼上的平衡環(huán)組成，安裝在多級(jí)泵末級(jí)葉輪后面，見圖3。

圖3　多級(jí)泵平衡盤裝置

圖3中平衡盤與平衡環(huán)之間有軸向間隙b;在平衡盤與平衡套之間有徑向間隙b0；平衡盤后面的平衡室與泵吸入口采用平衡管連接。泵啟動(dòng)后，由多級(jí)泵末級(jí)葉輪流出來的高壓液體流入徑向間隙b0，壓力下降到P1，在流過軸向間隙b，壓力下降到P0，因P1＜P0就有壓力作用在平衡盤上，這個(gè)力就是平衡力，方向與作用在葉輪上軸向力方向相反，達(dá)到平衡作用。離心泵工作時(shí)，當(dāng)葉輪上的軸向力大于平衡盤上的平衡力時(shí)，泵的轉(zhuǎn)子就會(huì)向吸入口竄動(dòng)，使平衡盤的軸向間隙減小，增加流體流動(dòng)阻力，而減小泄漏量，泄漏量減小后，液體流過徑向間隙的壓力減小，從而提高平衡盤前面壓力，即增加了平衡盤上的平衡力。隨著平衡盤向左移動(dòng)，平衡力增強(qiáng)，當(dāng)平衡盤移到某一位置時(shí)，平衡力與軸向力相等，達(dá)到平衡。同樣，當(dāng)軸向力小于平衡力時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)向吸入口反向移動(dòng)，達(dá)到新的平衡點(diǎn)。在實(shí)際工作中，當(dāng)泵的工作指標(biāo)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)自動(dòng)移到平衡位置作軸向移動(dòng)。因此，平衡盤裝置有自動(dòng)平衡軸向力的優(yōu)點(diǎn)。

在生產(chǎn)運(yùn)行中對DG46-50×10多級(jí)鍋爐給水泵進(jìn)行維護(hù)改造。改造前泵經(jīng)常發(fā)生振動(dòng)，出現(xiàn)噪聲過大、過熱等現(xiàn)象，平衡盤面磨損更換頻繁，在查找原因過程中對徑向間隙b0和軸向間隙b進(jìn)行調(diào)整。原徑向間隙為0.35mm，安裝后零件之間配合間隙過小，滿足不了高壓液體通過徑向間隙進(jìn)入平衡室，因而壓力下降，平衡盤沒有被推開而產(chǎn)生振動(dòng)，將原間隙擴(kuò)至0.45mm后，滿足高壓液體泄漏量，增大液體壓力而產(chǎn)生平衡力，保證平衡盤正常運(yùn)轉(zhuǎn)。軸向間隙安裝后保留0.2mm左右，使其具有一定的泄漏量來完成軸向力與平衡力的平衡過程。調(diào)整后泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中非常穩(wěn)定未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

四、結(jié)語

根據(jù)以上的分析及平衡措施，在實(shí)際工作中的應(yīng)用，解決了一些實(shí)際問題，從而減少了因軸向力的產(chǎn)生而導(dǎo)致的損壞，并且提高了泵的工作效率。

[1]薛敦松.石油化工廠設(shè)備檢修手冊第五分冊泵.北京：中國石化出版社，1997ISBN7-80043-680-2.

[2]樓宇新.化工機(jī)械制造工藝與安裝修理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1988:338-339.

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（2015-09-16）