淺談離心式水泵的軸向推力及平衡方法

張慶文（江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

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淺談離心式水泵的軸向推力及平衡方法

張慶文
（江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

摘 要：離心式水泵在生產(chǎn)實(shí)踐過程中必然會(huì)產(chǎn)生軸向推力，對(duì)離心式水泵所產(chǎn)生軸向推力的原因、危害進(jìn)行了簡單的介紹；通過生產(chǎn)實(shí)際中總結(jié)得出，對(duì)離心式水泵平衡軸向推力進(jìn)行了闡述,主要例舉了四種平衡離心式水泵軸向力的方法。

關(guān)鍵詞：離心式水泵；葉輪；軸向推力； 危害；平衡方法

1 引言

離心水泵是抽吸輸送液體的機(jī)械，它能將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成液體的動(dòng)能及壓力能，液體獲得一定流速和壓力，從而把液體輸送到一定的高度并克服管路中液體流動(dòng)的阻力。離心式水泵在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生軸向推力，如果不及時(shí)對(duì)軸向推力進(jìn)行消除，將對(duì)水泵產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整臺(tái)水泵報(bào)廢［1］。

2 軸向推力的產(chǎn)生

（1）作用在葉輪前、后盤上的壓力不平衡。如下圖所示，葉輪入口處壓強(qiáng)為低壓P1，出口處壓強(qiáng)為高壓p2，p2＞p1。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由葉輪流出的高壓水經(jīng)間隙有部分回流到葉輪前后盤的外側(cè)?？梢宰C明，充滿葉輪后腔的水的壓強(qiáng)是依半徑R按拋物線規(guī)律變化的。在葉輪半徑R2到縫隙R1的范圍內(nèi)，前后輪盤上的壓強(qiáng)對(duì)稱分布，因而相互抵消，在縫隙R1到輪轂半徑Rg的范圍內(nèi)，作用在葉輪左側(cè)的壓強(qiáng)是入口低壓，而作用在葉輪右側(cè)的壓強(qiáng)為出口高壓，故作用在葉輪兩側(cè)的壓強(qiáng)不平衡，從而產(chǎn)生了一個(gè)使葉輪向進(jìn)水口一側(cè)移動(dòng)的軸向推力。這個(gè)軸向推力是水泵總軸向推力的主要部分［2］。

（2）葉輪內(nèi)水流動(dòng)量發(fā)生變化。水在葉輪內(nèi)流動(dòng)過程中，速度方向是由軸向逐漸變?yōu)閺较虻?。由于速度的變化，引起?dòng)量變化，其結(jié)果對(duì)葉輪也產(chǎn)生一個(gè)沖力，這個(gè)沖力在一般情況下較小，并且與因葉輪前后輪盤上所受壓力不平衡而產(chǎn)生的軸向推力的方向相反。（3）大小口環(huán)磨損嚴(yán)重。大小口環(huán)磨損嚴(yán)重后泄漏量增加，使葉輪前后輪盤上的壓強(qiáng)分布規(guī)律發(fā)生了變化而引起軸向推力的增加。在正常狀態(tài)下，這個(gè)數(shù)值很小可以不予考慮，但非正常狀態(tài)下，這個(gè)數(shù)值較大。

由此可見，軸向推力是由上述三方面原因引起的。其中，葉輪前后輪盤上所受壓強(qiáng)不平衡，是產(chǎn)生軸向推力的主要原因?？傒S向推力的方向，是沿水泵軸向并指向吸水側(cè)。

3 軸向推力的危害

經(jīng)過上述分析，隨著水泵級(jí)數(shù)的增加，軸向推力會(huì)越大，致使整個(gè)轉(zhuǎn)子向吸水側(cè)移動(dòng)的距離增加，使相互對(duì)正的葉輪出水口與導(dǎo)水圈的導(dǎo)葉進(jìn)口發(fā)生偏移，引起沖擊振動(dòng)，減少流量，影響水泵的效率，嚴(yán)重時(shí)可使葉輪在吸水側(cè)面與泵殼發(fā)生摩擦和碰撞，導(dǎo)致軸承發(fā)熱，甚至損壞，或使整泵無法運(yùn)行，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，因平衡裝置失效而產(chǎn)生的這類現(xiàn)象也比較常見，因此必須設(shè)法減小或消除軸向推力［3］。

4 軸向推力的平衡方法

平衡軸向推力的方法有很多種，下面結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場介紹幾種常用的方法。

（1）平衡孔與平衡管。

在葉輪的后輪盤上靠近輪轂處打一圈小孔，將小室E中的高壓水引到葉輪入口A處，使葉輪前后盤的壓力相等，也可用平衡管代替平衡孔，從泵體外接接通小室E和吸入口A。小室用密封環(huán)與高壓區(qū)隔開。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，但不能完全平衡軸向推力，必須與止推軸承配合使用。另外此法會(huì)使水泵的漏損量增加，效率略有下降，一般用于小型的單吸單級(jí)離心水泵。例如生產(chǎn)現(xiàn)場的單級(jí)單吸入式給水泵等就是采用這種方式（圖1）。

圖1　單級(jí)葉輪的軸向推力

（2）對(duì)稱布置葉輪。

在級(jí)數(shù)為偶數(shù)的多級(jí)泵中，可采用葉輪對(duì)稱布置，使葉輪產(chǎn)生的軸向推力大小相等，方向相反，從而互相抵消。為達(dá)到良好平衡，最后一級(jí)葉輪與中間葉輪之間要嚴(yán)格密封，以防止因泄漏而產(chǎn)生的較大附加軸向推力。由于此力方向不定，因此必須在泵軸上安裝雙作用的止推軸承。這種平衡方法工作可靠，效率較高，也方便檢修。

（3）雙吸入式葉輪。

單級(jí)離心式水泵可以采用兩面吸水的葉輪，使兩側(cè)的軸向推力基本相等，以達(dá)到互相平衡的目的，但是這種方法也不能完全平衡軸向推力，原因是葉輪單方向的密封被磨損后、或者兩側(cè)的密封磨損不均勻，都會(huì)產(chǎn)生任一方向的軸向推力。因此，必須在泵軸的兩端安裝雙作用的止推軸承。例如生產(chǎn)現(xiàn)場的循環(huán)水泵是采用這種平衡方式。2011年3月，生產(chǎn)現(xiàn)場一臺(tái)雙吸入式單級(jí)離心泵一側(cè)的機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，同時(shí)水泵軸承軸向振動(dòng)較平時(shí)有所增大，經(jīng)過對(duì)機(jī)械密封調(diào)整無效后，解體將機(jī)封取出，發(fā)現(xiàn)機(jī)封靜環(huán)已有裂紋。在更換新的機(jī)封試車后，不僅漏水現(xiàn)象已消除，同時(shí)對(duì)水泵測振后，軸向振動(dòng)也減小，恢復(fù)到正常運(yùn)行。

（4）平衡盤裝置。

多級(jí)節(jié)段式離心水泵就采用平衡盤裝置來平衡軸向推力。下面結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際重點(diǎn)介紹這種平衡方式。動(dòng)力中心鍋爐給水泵都是采用這種方式。

平衡盤裝置安裝在最后一級(jí)葉輪的后面，用鍵固定在泵軸上，隨軸一起旋轉(zhuǎn)。由最后一級(jí)葉輪流出來的高壓水經(jīng)過平衡裝置的輪轂與泵殼之間的徑向間隙流到平衡盤的內(nèi)室，給平衡盤施加一個(gè)向右的壓力，平衡盤外側(cè)承受近似大氣壓強(qiáng)或吸水側(cè)的低壓。由于平衡盤內(nèi)外兩側(cè)形成了壓力差，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了一個(gè)指向出水側(cè)的推力，從而使泵能在平衡狀態(tài)下工作。平衡力可以隨著軸向推力的大小變化而變化，并達(dá)到自動(dòng)平衡的效果。泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)平衡力大于軸向推力時(shí)，轉(zhuǎn)子向出水側(cè)移動(dòng)，間隙增加，泄漏的水量也增加，平衡室內(nèi)的壓強(qiáng)也降低，平衡力隨之減小，一直到平衡力等于軸向推力時(shí)為止；當(dāng)平衡力小于軸向推力時(shí)，平衡盤連同轉(zhuǎn)子就向吸水側(cè)方向移動(dòng)，間隙減小，泄漏的水量也減小，平衡衡室內(nèi)的壓強(qiáng)也升高，平衡力隨之增加，一直到平衡力等于軸向推力時(shí)為止［4］。2009年8月，生產(chǎn)現(xiàn)場一臺(tái)運(yùn)行的高壓多級(jí)鍋爐給水泵，出現(xiàn)電機(jī)軸承溫度偏高，聲音異常，電機(jī)聯(lián)軸器側(cè)

軸向振動(dòng)偏大，振動(dòng)位移值達(dá)120μm。點(diǎn)檢通知工藝人員將泵立即停止。電氣點(diǎn)檢對(duì)電機(jī)軸承檢查后發(fā)現(xiàn)軸承已出現(xiàn)損壞，更換軸承后恢復(fù)運(yùn)行。但在運(yùn)行一段時(shí)間后又出現(xiàn)類似現(xiàn)象。后經(jīng)機(jī)電點(diǎn)檢分析，認(rèn)為這種現(xiàn)象可能是泵平衡裝置失效所引起的。機(jī)械點(diǎn)檢安排檢修人員將水泵軸承座、尾蓋等部件拆除后，發(fā)現(xiàn)平衡盤、平衡環(huán)已嚴(yán)重磨損，致使水泵平衡力破壞，產(chǎn)生的軸向推力將水泵轉(zhuǎn)子往電機(jī)方向推，故出現(xiàn)電機(jī)軸承溫升高、聲音振動(dòng)異常等現(xiàn)象，造成軸承損壞，在更換完平衡裝置后，水泵運(yùn)行參數(shù)一切正常。

由此可見，當(dāng)水泵工況發(fā)生改變，使軸向推力發(fā)生變化時(shí)，平衡盤裝置產(chǎn)生的平衡力則可依靠間隙的變化與軸向推力隨時(shí)取得平衡。平衡盤裝置的缺點(diǎn)是平衡盤容易磨損，磨損后泄漏量增大，降低泵的效率。

參考文獻(xiàn)：

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Introduction of Centrifugal Water Pump Axial Thrust and Balance Method

ZHANG Qing-wen
（Jiangxi Copper Lead & Zinc Co., Ltd, Jiujiang 332500, Jiangxi, China）

Abstract:In the production practice, the centrifugal pump will generate axial thrust inevitably. the reasons of which the axial thrust generated and hazards of axial thrust are briefly introduced, the actual production is concluded, the centrifugal pump axial thrust balance are described, the main four methods for balance the centrifugal pump axial force are exampled.

Keywords:centrifugal pump；impeller；axial thrust；hazard；balancing method

作者簡介：張慶文（1984-），男，福建漳州人，主要從事熱工類技術(shù)方面的工作。E-mail:147118068@qq.com

收稿日期：2015-07-15

中圖分類號(hào)：TH311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3842（2016）01-0084-02