離心泵軸向力的產生及平衡措施

許華峰

（山東天弘化學有限公司，山東　東營　257000）

·探討與創新·

離心泵軸向力的產生及平衡措施

許華峰

（山東天弘化學有限公司，山東東營257000）

分析離心泵軸向力產生的原因，根據具體實際情況采用平衡措施，有效減少泵的故障，為裝置平穩運行創造有利條件,同時也降低了維修成本。

軸向力；平衡措施；軸向力計算

離心泵在運轉時產生軸向力，流體作用在轉子上的軸向力主要是由于其作用在葉輪兩側的壓力分布不對稱而引起的，此軸向力在工況穩定的情況下是一定值，即靜態軸向力，設計時一般采用平衡裝置將其平衡掉，剩余部分由止推軸承承擔；而實際上，作用在止推軸承上的軸向力并不是固定不變的，運行工況、密封間隙、制造及裝配誤差等因素均會引起軸向力的變化，軸向力的變化部分稱之為動態軸向力，而它是平衡裝置無法平衡的。加上各種軸向力計算公式理論上都存在著誤差，靜態軸向力的平衡也是不準確的。這兩方面是引起泵本身及電動機損壞的主要原因，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、葉輪向進口方向移動致使葉輪與泵殼發生摩擦，電動機負載加大；如果軸向力過小，則會引起轉子的前后竄動。

一、軸向力原理

1.軸向力的產生

在離心泵中液體是在低壓力P1下進入葉輪，而在高壓力P2下流出葉輪。由于出口壓力大于進口壓力及葉輪前后蓋板的不對稱，使得葉輪兩側所受的液體壓力不相等，因而產生了軸向推力，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、外圓半徑，ΔP=P右+P左=πr12（P1-P2）。因P2＞P1，故ΔP是正值。因此當離心泵運轉時總有一個沿軸并指向吸入口的力作用在轉子上。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，使泵的整個轉子向吸入口發生竄動，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產生摩擦，嚴重時離心泵不能正常工作，所以必須平衡軸向力，并限制轉子的軸向竄動。

由于葉輪出口壓力P2與葉輪進口壓力P1之差值越大，葉輪產生的軸向力就越大；適當縮小前輪蓋間隙，可使軸向力相應減少，當離心泵減負荷運行時，由于葉輪出口與進口壓差增加，以及流體的沖擊力減小，會導致軸向力增加，所以泵在減負荷運行時，要考慮止推軸承的承載能力。

圖1　離心泵軸向力示意

二、軸向力的計算（閉式葉輪）

目前對于離心式葉輪軸向力粗略的計算，可以采用以下公式，具體參數詳見表1。

式中：Hi——單級葉輪楊程，m；

K——實驗系數，如表1所示；

r——葉輪半徑，m；

Rm——葉輪密封環半徑，m；

rh——葉輪輪轂半徑，m；

i——多級泵葉輪級數。

表1

三、平衡軸向力的措施

實際生產中，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，可以根據實際情況采取相應的措施。

（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空間壓差，平衡部分軸向力，見圖2。在離心泵運行中總結了平衡孔總截面積為密封環間隙(密封環間隙為0.1～0.25mm)環形截面積的3～6倍。采用平衡孔措施，能夠平衡80%左右的軸向力，克服了軸向竄動所產生的不良后果。這種方法在單級單吸離心泵上應用效果顯著。

圖2　在葉輪上開平衡孔

在生產運行中對IS150-125-315清水離心泵，經常更換軸承、口環及軸承壓蓋，維修量很大并造成一定經濟損失，增加了生產成本。在查找原因中發現葉輪的平衡孔為φ6mm×6mm，經計算得出平衡孔面積遠小于密封環間隙面積的3～6倍，軸向力沒有被克服而引發的離心泵損壞。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A，使葉輪兩側壓力基本平衡，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，形成一個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計成徑向的直葉片，它的剩余力仍然由軸承承擔。其計算可按如下經驗公式進行：

式中：F——葉輪軸向力，N；

ω——背葉輪液體旋轉角速度，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。多級泵因其高壓輸送能力大，但在工作中所產生軸向力也較大，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組成，安裝在多級泵末級葉輪后面，見圖3。

圖3　多級泵平衡盤裝置

圖3中平衡盤與平衡環之間有軸向間隙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。泵啟動后，由多級泵末級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，這個力就是平衡力，方向與作用在葉輪上軸向力方向相反，達到平衡作用。離心泵工作時，當葉輪上的軸向力大于平衡盤上的平衡力時，泵的轉子就會向吸入口竄動，使平衡盤的軸向間隙減小，增加流體流動阻力，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，平衡力增強，當平衡盤移到某一位置時，平衡力與軸向力相等，達到平衡。同樣，當軸向力小于平衡力時，轉子會向吸入口反向移動，達到新的平衡點。在實際工作中，當泵的工作指標改變時，轉子會自動移到平衡位置作軸向移動。因此，平衡盤裝置有自動平衡軸向力的優點。

在生產運行中對DG46-50×10多級鍋爐給水泵進行維護改造。改造前泵經常發生振動，出現噪聲過大、過熱等現象，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進行調整。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入平衡室，因而壓力下降，平衡盤沒有被推開而產生振動，將原間隙擴至0.45mm后，滿足高壓液體泄漏量，增大液體壓力而產生平衡力，保證平衡盤正常運轉。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。調整后泵在運轉中非常穩定未發現異常現象。

四、結語

根據以上的分析及平衡措施，在實際工作中的應用，解決了一些實際問題，從而減少了因軸向力的產生而導致的損壞，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.化工機械制造工藝與安裝修理[M].北京:化學工業出版社，1988:338-339.

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（2015-09-16）