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離心泵軸向推力及其平衡

作者：離心泵來源：軸發布時間：2023-06-13

泵在運轉中，轉子上作用著軸向力，該力將拉動轉子軸向移動。因此，必須設法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。泵轉子上作用的軸向力，由下列各分力組成：
1）葉輪前、后蓋板不對稱產生的軸向力，此力指向葉輪吸入口方向；
2）軸臺、軸端等結構因素引起的軸向力，其方向視具體情況而定；
3）轉子重量引起的軸向力（如立式泵），與轉子的布置方式有關；
4）影響軸向力的其它因素；
5）動反力，此力指向葉輪后面。

對于單級離心泵，作用在轉子上的軸向推力包括：
1）葉輪軸向力（F1）：是吐出側葉輪蓋板（Fd）和吸入側葉輪蓋板（Fs）上的軸向壓力之差，即
F1 = Fd-Fs
2）動量（FJ）：是一種持續作用于特定空間中流體的力（可參見流體力學中的動量守恒原理），其計算如下：
FJ = ρ·Q·ΔVax
式中，
ρ為泵送介質的密度
Q為泵送流量
ΔVax為葉輪進口和出口處絕對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生的合成壓力，即
FWd = AWd·ΔpWd
4）特殊的軸向力，例如，在泵啟動過程中，葉輪和殼體之間的間隙（側隙）中的渦流條件發生變化時產生的軸向力。
5）其它的軸向力，例如非臥式離心泵上的轉子重量（FW）或電動機中的磁拉力（Fmech）等。
對于非水力平衡的閉式葉輪的軸向推力構成：
式中，
α為軸向推力系數（基于經驗）
ρ為泵送介質密度
g為引力常數（重力加速度）
H為揚程
D2m為平均葉輪直徑，
軸向推力系數基本上取決于比轉速。對于徑向和混流葉輪，以下計算公式適用于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）機械平衡：通過推力軸承（如滾動軸承、可傾瓦軸承）完全吸收軸向推力。
2）基于設計：葉輪背對背布置，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）通過具有自動平衡功能的平衡裝置（例如平衡盤）平衡整個旋轉組件，或通過平衡鼓和雙平衡鼓進行部分平衡。
5）通過背葉片減少單個葉輪上的軸向推力。
機械軸向推力平衡
滾動軸承吸收軸向推力是有效、經濟的解決方案。然而，如果沒有特殊的平衡設備，則需要使用特別復雜的推力軸承，這樣的話在效率和成本方面的好處可能會被抵消。
基于設計的軸向推力平衡
例如，對于具有4級葉輪的管道泵，具有兩組背靠背布置的葉輪（每組兩只串聯）來平衡軸向推力。如果系統條件導致兩級出現汽蝕，則每組的大軸向推力可能是正常軸向推力的兩倍。
然而，如果選擇更復雜的（葉輪進出口）平行連接的背靠背葉輪布置，則每級僅產生正常的軸向推力。

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