離心泵軸向推力及其平衡
作者：離心泵 來源：軸 發(fā)布時(shí)間：2023-06-13
泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子上作用著軸向力，該力將拉動(dòng)轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)。因此，必須設(shè)法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。泵轉(zhuǎn)子上作用的軸向力，由下列各分力組成：
1）葉輪前、后蓋板不對(duì)稱產(chǎn)生的軸向力，此力指向葉輪吸入口方向；
2）軸臺(tái)、軸端等結(jié)構(gòu)因素引起的軸向力，其方向視具體情況而定；
3）轉(zhuǎn)子重量引起的軸向力（如立式泵），與轉(zhuǎn)子的布置方式有關(guān)；
4）影響軸向力的其它因素；
5）動(dòng)反力，此力指向葉輪后面。
對(duì)于單級(jí)離心泵，作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力包括：
1）葉輪軸向力（F1）：是吐出側(cè)葉輪蓋板（Fd）和吸入側(cè)葉輪蓋板（Fs）上的軸向壓力之差，即
F1 = Fd-Fs
2）動(dòng)量（FJ）：是一種持續(xù)作用于特定空間中流體的力（可參見流體力學(xué)中的動(dòng)量守恒原理），其計(jì)算如下：
FJ = ρ·Q·ΔVax
式中，
ρ為泵送介質(zhì)的密度
Q為泵送流量
ΔVax為葉輪進(jìn)口和出口處絕對(duì)速度軸向分量之間的差值
3）在軸封處軸的橫截面Ass上由軸封上游和下游的靜壓產(chǎn)生的合成壓力，即
FWd = AWd·ΔpWd
4）特殊的軸向力，例如，在泵啟動(dòng)過程中，葉輪和殼體之間的間隙（側(cè)隙）中的渦流條件發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的軸向力。
5）其它的軸向力，例如非臥式離心泵上的轉(zhuǎn)子重量（FW）或電動(dòng)機(jī)中的磁拉力（Fmech）等。
對(duì)于非水力平衡的閉式葉輪的軸向推力構(gòu)成：
式中，
α為軸向推力系數(shù)（基于經(jīng)驗(yàn)）
ρ為泵送介質(zhì)密度
g為引力常數(shù)（重力加速度）
H為揚(yáng)程
D2m為平均葉輪直徑，
軸向推力系數(shù)基本上取決于比轉(zhuǎn)速。對(duì)于徑向和混流葉輪，以下計(jì)算公式適用于6 rpm < ns < 130 rpm的范圍：
α=0.5 ×(Dsp/D2m)3 + 0.09 ≈ 0.1 ～ 0.3
式中，Dsp為吸入側(cè)葉輪蓋板處受控間隙的直徑。
軸向推力平衡的多種形式
1）機(jī)械平衡：通過推力軸承（如滾動(dòng)軸承、可傾瓦軸承）完全吸收軸向推力。
2）基于設(shè)計(jì)：葉輪背對(duì)背布置，并通過推力軸承吸收剩余軸向推力。
3）通過平衡孔平衡或減少單只葉輪上的軸向推力。
4）通過具有自動(dòng)平衡功能的平衡裝置（例如平衡盤）平衡整個(gè)旋轉(zhuǎn)組件，或通過平衡鼓和雙平衡鼓進(jìn)行部分平衡。
5）通過背葉片減少單個(gè)葉輪上的軸向推力。
機(jī)械軸向推力平衡
滾動(dòng)軸承吸收軸向推力是有效、經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而，如果沒有特殊的平衡設(shè)備，則需要使用特別復(fù)雜的推力軸承，這樣的話在效率和成本方面的好處可能會(huì)被抵消。
基于設(shè)計(jì)的軸向推力平衡
例如，對(duì)于具有4級(jí)葉輪的管道泵，具有兩組背靠背布置的葉輪（每組兩只串聯(lián)）來平衡軸向推力。如果系統(tǒng)條件導(dǎo)致兩級(jí)出現(xiàn)汽蝕，則每組的大軸向推力可能是正常軸向推力的兩倍。
然而，如果選擇更復(fù)雜的（葉輪進(jìn)出口）平行連接的背靠背葉輪布置，則每級(jí)僅產(chǎn)生正常的軸向推力。
