淺談立式泵軸向力

【摘??要】從立式泵軸向力的產(chǎn)生和組成入手，闡述軸向力的影響因素及主要平衡裝置的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】立式泵;軸向力;平衡

引言

泵運轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子上作用軸向力，該力將拉動轉(zhuǎn)子作軸向移動，使水泵不能安全、可靠地長期運行，可導(dǎo)致水泵嚴(yán)重?fù)p壞。因此，軸向力的有效平衡是水泵設(shè)計過程中必須考慮的主要問題之一。對于大型立式泵而言，其軸向力的產(chǎn)生和組成有其特殊性，其平衡方法也不同于臥式泵，下面將詳細(xì)闡述。

一?立式泵軸向力的產(chǎn)生與組成

立式泵的軸向力主要由以下分力組成：

1、在葉輪的吸入口處，后蓋板的前側(cè)面受到吸入壓力作用，其后側(cè)面受高壓作用。此外，由于兩側(cè)密封泄漏不相等的影響，葉輪兩蓋板上的液體壓力分布情況也不相同。因此，液體作用于葉輪上的力是不平衡的，產(chǎn)生了作用于葉輪上的軸向力F1，此力與軸向平行，由后蓋板指向葉輪進(jìn)口。

2、液體流入葉輪進(jìn)口及從葉輪出口流出的速度大小及方向均不相同。因此，在作用著一個動反力F2，此力也是軸向的，但與F1相反。

3、對于立式泵，轉(zhuǎn)子的重量也是軸向力的一部分，方向與F1相同，這里標(biāo)記為F3。

4、其他因素，如軸臺、軸端等因素引起的軸向力，葉片工作面和背面壓力不同所產(chǎn)生的軸向力等，對于立式泵（尤其是單級立式離心泵、混流泵），這些因素在設(shè)計計算時可忽略。

立式泵運行所產(chǎn)生的總軸向力F=F1-F2+F3。

F1的大小與泵出口勢揚程HP雖然不成正比，但是隨著HP的增大而增大，并且F1也與葉輪的進(jìn)、出直徑及輪轂直徑有關(guān)。

F2的大小則與泵理論流量Qt成正比，對于離心泵而言，F(xiàn)2的大小同時與葉片進(jìn)口稍前的軸面速度Vm0成正比;而對于斜流泵，F(xiàn)2的大小則與泵進(jìn)口稍前的軸面速度Vm0和葉片出口稍后軸面速度Vm3的軸線方向分量差成正比。

立式泵總軸向力F，從泵的運行曲線來看，一般從關(guān)死點到額定流量點運行區(qū)間，揚程較高而流量相對較小，根據(jù)上述F1、F2大小的定性分析可知，即F1較大而F2較小，這樣根據(jù)F=F1-F2+F3這個公式，此時總軸向力F的方向與F1方向一致，指向葉輪進(jìn)口，對立式泵而言即為由上方指向下方。當(dāng)泵在關(guān)死點運行時，其揚程最高，流量為零，所產(chǎn)生的軸向力也最大。

當(dāng)泵從額定流量向大流量點運行時，則揚程較低而流量相對較大，即F1較小而F2較大，當(dāng)F1-F2+F3﹤0時，則表明總軸向力F的方向發(fā)生了變化，與F2一致，指向葉輪背面，對立式泵而言即為由下方指向上方。因此，在設(shè)計過程中必須考慮，立式泵運行到大流量時軸向力方向是有可能發(fā)生變化的，泵組用于平衡軸向力的裝置（如推力軸承）必須能承受雙向的軸向力。

圖-1?典型立式泵結(jié)構(gòu)圖

二、立式泵軸向力的平衡

1、密封環(huán)和平衡孔的設(shè)計

在葉輪的前后蓋板上（對于半開式葉輪則僅在后蓋板上），裝置兩個直徑大小一致的密封環(huán)，并使后泵腔的B腔與葉輪吸入口或泵吸入室相連通，已達(dá)到平衡軸向力的目的。

在靠近葉輪輪轂的后蓋板上開有連通葉輪吸入口和B腔的平衡孔，則這種方法稱為平衡孔法，這些孔稱為平衡孔。由于液體流經(jīng)密封環(huán)間隙的阻力損失，使密封下部的液體的壓力下降，從而減小作用在后蓋板上的軸向力。減小軸向力的程度取決于孔的數(shù)量和孔徑的大小。平衡孔的個數(shù)與葉輪葉片數(shù)一致，在葉片之間均布。所有平衡孔斷面的總面積不應(yīng)小于密封環(huán)間隙斷面面積的5?～6倍，從和鑄造工藝和機(jī)械加工的角度來考慮，其倍數(shù)值可放寬為4?～7倍。

對于立式泵而言，密封環(huán)和平衡孔是一種十分必要的平衡軸向力的輔助措施，在一般立式斜流泵及離心泵葉輪上都設(shè)有密封環(huán)和平衡孔。

2、背葉片

背葉片是加在葉輪后蓋板的外側(cè)，即相當(dāng)于在主葉輪的背面加一個吸入方向相反

的附加半葉輪。背葉片強迫液體旋轉(zhuǎn)，液體的旋轉(zhuǎn)角速度增加，這樣后側(cè)的壓力水頭就會降低，從而作用在后蓋板的軸向力也降低。

裝背葉片泵的揚程大約提高1%?～2%，泵效率大約下降2%?～3%。為了便于鑄造，背葉片一般都做成徑向的。

3、推力軸承

對于立式泵而言，密封環(huán)和平衡孔以及背葉片的應(yīng)用不能完全平衡軸向力。因此，任何形式的立式泵都必須設(shè)置推力軸承來完全平衡軸向力。推力軸承有如下特點：

（1）結(jié)構(gòu)上，推力軸承一般布置在立式泵的頂端，不會對泵體內(nèi)的液流產(chǎn)生影響，不會帶來附加的容積損失和水力損失;

（2）推力軸承裝置穩(wěn)定可靠，可平衡兩個方向的軸向力;

（3）推力軸承裝置較為復(fù)雜，須有潤滑油進(jìn)行潤滑，在泵運行過程中必須嚴(yán)密監(jiān)測其振動和溫升。

在立式泵推力軸承裝置的設(shè)計過程中須注意以下問題：

（1）推力軸承的選用首要依據(jù)是在額定工況下推力軸承的使用壽命，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求一般為25000h，推力軸承的計算壽命必須大于25000h才能選用;

（2）選取的推力軸承額定轉(zhuǎn)速N0必須大于泵運行轉(zhuǎn)速N，否則會導(dǎo)致軸承溫升過高，損壞軸承;

（3）選取推力軸承時，必須計算軸承的理論溫升，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求軸承最高溫度不過超過75℃（當(dāng)推力軸承設(shè)置在電動機(jī)上時則為80℃），一般考慮環(huán)境溫度為40℃，則軸承的理論溫升不得超過35℃;

（4）應(yīng)用于大口徑立式泵推力軸承在油潤滑情況下，必須有外接水對潤滑油進(jìn)行強制冷卻。

對于立式泵的推力軸承裝置，主要分為泵承受軸向力和電動機(jī)承受軸向力兩種情況：

（1）泵承受軸向力，主要應(yīng)用于泵口徑較?。ㄒ话阒?000mm口徑以下），軸向力也相應(yīng)較小的情況，推力軸承一般選取滾動軸承，具體還可以細(xì)分為泵轉(zhuǎn)子軸徑100mm以下時可以選取7系列的角接觸軸承，軸徑100mm以上的可以選取29系列的可調(diào)心軸承;軸承體布置在泵體上，軸向力由軸承轉(zhuǎn)遞至泵體，最終傳遞至泵基礎(chǔ)之上;

（2）電動機(jī)承受軸向力，主要應(yīng)用于泵口徑較大（一般指1000mm口徑以上），軸向力也相應(yīng)較大的情況，推力軸承一般選取滑動軸承，軸承體布置在電動機(jī)頂端，軸向力由軸承傳遞至電動機(jī)殼體及相連接的電動機(jī)支架，最終傳遞至泵基礎(chǔ)之上。

結(jié)論

在立式泵的設(shè)計過程中，通過對軸向力的分析和計算，合理設(shè)計密封環(huán)和平衡孔，并選取合適的推力軸承，立式泵軸向力的平衡可以達(dá)到理想的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)醒凡?.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊?.宇航出版社，1995

[2]沈陽水泵研究所，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院?.葉片泵設(shè)計手冊?.機(jī)械工業(yè)出版社，1983

作者簡介：

鄭凱凱，1987-01（出生年月），性別男，籍貫（山東省泰安市），學(xué)歷本科，職稱助理工程師，單位（上海，必維質(zhì)量技術(shù)（上海）有限公司，包含具體省市信息），單位郵編200011，研究方向（機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)工藝與檢驗主要從事工作）。

（作者單位：必維質(zhì)量技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司）