淺談葉輪背葉片能延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命

樊艷麗

（埃梯梯（上海）流體技術(shù)有限公司，上海200051）

淺談葉輪背葉片能延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命

樊艷麗

（埃梯梯（上海）流體技術(shù)有限公司，上海200051）

為了降低泵的生命周期成本，必須考慮延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命。開(kāi)式葉輪背葉片通過(guò)降低葉輪背面的壓力達(dá)到同時(shí)降低葉輪軸向力和機(jī)封腔壓力的作用，有效增加軸承和機(jī)封的壽命。

葉輪；背葉片；軸向力；機(jī)封腔壓力

在當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域，用戶(hù)更加關(guān)注泵的全生命周期成本，而不是僅僅局限于對(duì)于關(guān)注項(xiàng)目初期的采購(gòu)成本。因?yàn)闄C(jī)封和軸承是泵產(chǎn)品的主要易損件，為了降低泵的生命周期成本，必須考慮延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命。也因此越來(lái)越多的泵廠(chǎng)家在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上下功夫，以期延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命。

耳聞能詳?shù)挠懻撛?huà)題是關(guān)于葉輪的背葉片的功能。經(jīng)常有人問(wèn)“為什么很多開(kāi)式葉輪的單級(jí)單吸泵都有背葉片？”，“它們有什么用處？”。簡(jiǎn)而言之，背葉片設(shè)計(jì)就是為了延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命。接下來(lái)有人又會(huì)問(wèn)，在什么情況下在哪里會(huì)看到背葉片的設(shè)計(jì)？他們是怎么樣延長(zhǎng)機(jī)封和軸承的壽命的呢？

首先，我們要來(lái)定義一下適用背葉片設(shè)計(jì)的泵型和基本的泵設(shè)計(jì)。泵按照不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范分很多種泵型和設(shè)計(jì)形式，例如API標(biāo)準(zhǔn)的單級(jí)單吸懸臂泵，中心支撐的雙吸泵，ANSI的化工流程泵，ISO的流程泵等，但背葉片的設(shè)計(jì)最常用于單級(jí)單吸的化工流程泵。化工流程泵包括美標(biāo)ANSI（B73.1）泵，不在ANSI范圍內(nèi)的更大的端吸泵或更小的端吸泵等。日常應(yīng)用中的流程泵有閉式葉輪的也有開(kāi)式葉輪。但并不是所有閉式葉輪和開(kāi)式葉輪都適用背葉片的設(shè)計(jì)。

無(wú)論是閉式葉輪還是開(kāi)式葉輪，他們的原理都是帶動(dòng)液體產(chǎn)生壓力，但是不同的葉輪形式有其獨(dú)特的特性?？傮w來(lái)說(shuō)，閉式葉輪的效率高，開(kāi)式葉輪處理顆粒的能力強(qiáng)。兩種葉輪設(shè)計(jì)各有其優(yōu)點(diǎn)。但是背葉片的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于開(kāi)式葉輪上。如圖1.

圖1 葉輪圖

為了便于理解和對(duì)比，下面先說(shuō)說(shuō)閉式葉輪工作時(shí)的受壓情況。對(duì)于閉式葉輪的設(shè)計(jì)，因?yàn)榍昂笊w板同時(shí)存在，其本身就可以平衡掉大多數(shù)由葉輪工作產(chǎn)生的壓力，如圖2所示。出口壓力在葉輪的前后蓋板上同時(shí)作用，這樣就能平衡掉大部分壓力。但是沒(méi)有被平衡的壓力會(huì)作用在葉輪的后蓋板上，進(jìn)而產(chǎn)生向入口方向的軸向力。但是此時(shí)的軸向力是平衡之后的軸向力，已經(jīng)比之前由葉輪工作而產(chǎn)生的壓力小多了。

圖2 單吸葉輪前后蓋板上的壓力分布

如果是開(kāi)式葉輪就完全不同了。因?yàn)殚_(kāi)式葉輪沒(méi)有前蓋板，出口壓力無(wú)法均勻的分布在整個(gè)葉輪的前面。因此，葉輪前面的壓力從入口低壓處向葉輪的邊緣漸漸的越來(lái)越大，直到葉輪的邊緣處壓力最大，等于葉輪的出口壓力（圖3）。如過(guò)沒(méi)有背葉片，那么整個(gè)后蓋板上都是出口壓力。那么相比閉式葉輪，開(kāi)式葉輪將產(chǎn)生更大的軸向力，軸承也承擔(dān)著更大的軸向力。如果有背葉片，葉輪背面上的壓力就會(huì)減少，軸向力就會(huì)減少。背葉片相比工作葉片要小的多，當(dāng)然有少數(shù)例外情況。這些背葉片像葉片一樣工作，但是因?yàn)樗麄兒苄?，他們產(chǎn)生的壓力無(wú)法抵消工作葉輪產(chǎn)生的壓力。因此，背葉片的作用就是削弱出口壓力，使出口壓力值趨向于一個(gè)介于原入口壓力和原出口壓力之間的值。因?yàn)榻档土巳~輪背面的壓力，所以軸向力就降低了。軸承要承受的力減少了，軸承的使用壽命也就延長(zhǎng)了。

圖3 開(kāi)式葉輪上的壓力分布

那么，背葉片又是如何延長(zhǎng)機(jī)封壽命的呢？保證機(jī)封使用壽命的一個(gè)必要條件是給機(jī)封一個(gè)良好的工作環(huán)境。理想的條件是：介質(zhì)溫度比較低，無(wú)顆粒并且機(jī)封腔壓力低。但是，這樣一個(gè)良好的工作環(huán)境是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)于一個(gè)既定的工況，高溫和顆粒往往就是要處理的介質(zhì)的特性，是無(wú)法改變的。然而，在很多情況下，機(jī)封腔壓力是可以調(diào)整的。因此設(shè)計(jì)者就要從降低機(jī)封腔壓力入手，盡可能降低機(jī)封腔壓力。因?yàn)榻档土藱C(jī)封腔壓力，就可以減少機(jī)封密封面的磨損。機(jī)封腔壓力越高，密封面承受的壓力越大，壓力越大磨損也越厲害。因此把機(jī)封腔壓力泄掉或者削弱出口壓力，都能實(shí)現(xiàn)降低機(jī)封腔壓力的目的。泄壓的方式有兩種：

第一種方法是通過(guò)葉輪的平衡孔。如圖4.葉輪背面的高壓通過(guò)葉輪平衡孔泄到入口。平衡孔的優(yōu)點(diǎn)是在于他是葉輪自身的一部分，僅僅是需要些微小的加工，不需要對(duì)葉輪做重大修改就能實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是會(huì)降低泵的效率。

圖4 用后密封環(huán)和平衡孔平衡軸向力

雖然平衡孔會(huì)降低泵的效率，但是對(duì)于像美標(biāo)ANSI（B73.1）泵這樣的小泵，因?yàn)槠湔w效率比較高，影響不是很明顯。如果對(duì)于大的端吸泵，這種影響還是很明顯的。或者通過(guò)外加沖洗實(shí)現(xiàn)泄壓。見(jiàn)圖5的13沖洗方案。這種方法很簡(jiǎn)單，但是要接外部的沖洗管，使壓力由機(jī)封腔返回到泵的入口。

圖5 密封競(jìng)選方案-13

降低機(jī)封腔壓力的另外一個(gè)方法是削弱出口壓力。對(duì)于閉式葉輪，最典型的方式就是使用后耐磨環(huán)加平衡孔（圖4）。對(duì)于開(kāi)式葉輪，使用的最普遍的方法就是葉輪背葉片。這種方法最簡(jiǎn)單，不需要對(duì)葉輪進(jìn)行任何的額外的加工。背葉片是葉輪的一部分，運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中都不會(huì)有額外的損壞。它的成本低、附加值高，因此很多泵廠(chǎng)家把這種設(shè)計(jì)作為開(kāi)式葉輪的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

總體來(lái)說(shuō)，葉輪背葉片可以把機(jī)封腔壓力削弱大概65%～85%.這能很大的降低機(jī)封腔壓力，尤其對(duì)一些高揚(yáng)程的工況。小流量高揚(yáng)程的工況，機(jī)封腔壓力高，機(jī)封很容易損壞。采用背葉片設(shè)計(jì)，機(jī)封腔壓力降低了，機(jī)封就不會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常損壞的情況了。人們經(jīng)常會(huì)錯(cuò)誤的認(rèn)為葉輪背葉片和泵蓋之間的間隙的增大，泵的性能就會(huì)降低，會(huì)影響機(jī)封和軸承的壽命。這種理解是錯(cuò)誤的。實(shí)踐證明，機(jī)封和軸承的壽命不會(huì)因此間隙的增大而降低。另外，背葉片對(duì)于處理有顆粒的工況是大有幫助的。背葉片能使顆粒處于懸浮狀態(tài)，并把顆粒送到泵的出口。這樣就能減少密封面處顆粒的濃度，進(jìn)而增加機(jī)械密封壽命。

因此，為了增加機(jī)封和軸承的壽命，減少軸承所受軸向力和降低機(jī)封腔壓力勢(shì)在必行。對(duì)于開(kāi)式葉輪的泵，背葉片的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)此目的的不二之選。主要易損件的壽命延長(zhǎng)了，泵的全生命周期成本就相應(yīng)降低了，因此也能增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。如今市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)是技術(shù)水平的競(jìng)爭(zhēng)，技術(shù)就是生產(chǎn)力，是企業(yè)的生存之本。

[1]IgorJ.Karassik.泵手冊(cè)[M].中國(guó)石化出版社，2002.

[2]Pumps S.Centrifugal Pump Handbook（Third Edition）[M].2010.

[3]ANSI ASME B73.1-2001：Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps for Chemical Process.

[4]林 玲，牟介剛，鄭水華，等.葉輪背葉片與蓋板的間隙對(duì)平衡軸向力的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（12）：228-230.

[5]蔡 龍.淺談離心葉輪背葉片密封能力[J].水泵技術(shù)，2010（2）：36-39.

Talking About Back Blade Design to Improve the Life of Mechanical Seal and Bearing

FAN Yan-li
（ITT（Shanghai）Fluid Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200051，China）

To save pump life-cycle time cost，it is necessary to improve the life of bearing and mechanical as they are easily damaged parts.The back blade will reduce the pressure acting on the impeller back shrouds.As a result pump thrust force and seal chamber pressure reduced.In this way，the bearing and mechanical seal life will be increased.

impeller；back blade；axial force；seal chamber pressure

TH133.3

A

1672-545X（2017）09-0238-03

2017-06-05

樊艷麗（1979-），女，河北獻(xiàn)縣人，本科，工程師，主要研究：離心泵應(yīng)用。