怎樣解決水泵的軸向力產生的危害
作者：泵 來源：泵 發布時間：2021-04-12
泵的軸向力是怎樣產生的以及危害有哪些？軸向力平衡方法有哪些？流量與軸向力關系怎樣計算？
一、水泵軸向力平衡方法
平衡水泵轉子軸向力的方法多種多樣，例如在泵外部設置推力軸承、于水泵腔體上開設平衡孔或平衡管以降低泵壓、葉輪設計時采用背葉片、雙葉輪、葉輪對稱分布等形式，以及使用平衡盤、平衡鼓結構等。其中，多利用平衡盤和平衡鼓結構對轉子軸向力進行平衡。
平衡盤被廣泛應用在多級泵的軸向力平衡上，位于泵末級葉輪之后。平衡裝置存在徑向和軸向兩個間隙，由末級流出的帶壓液體，經徑向間隙流入平衡盤前的空腔中，使之形成高壓力狀態。于平衡盤后側的空腔上開設平衡管，并與水泵入口相連通，使該處空腔內壓力與泵入口處壓力基本一致。由于平衡盤前后兩空腔內壓力不等，構成壓力差，產生與軸向力反向的平衡力，達到平衡效果。
采用平衡盤結構平衡水泵轉子軸向力時，由于軸向力不斷變化，平衡力也隨之改變，因而，其工作過程是動平衡過程。平衡盤依靠轉子竄動自動調節其可變間隙大小，從而調節平衡力大小，能夠充分平衡轉子軸向力，無需依靠外部推力軸承輔助，因而平衡結構可省略外部推力軸承。
1、采用這一結構的優點在于：
(1)單獨采用平衡鼓平衡軸向力時，需在外部加裝止推軸承，采用該聯合結構時,由于平衡盤的存在，可省略安裝止推軸承。
(2)平衡鼓平衡軸向力的同時也可平衡掉一部分平衡盤產生的平衡力，減小平衡盤前后壓力差，使平衡盤與支撐環更易分離，不易造成磨損，使整個平衡裝置性能可靠。
(3)要求泵進行空轉時，需在泵上安裝止推軸承，聯合機構的存在可以大大降低止推軸承的負荷。
本文給水泵應用于核電站輔助給水，電動機輔助給水泵規格書規定，不允許單獨采用平衡盤作為軸向力平衡裝置，因而 測試對象擬定采用單平衡鼓或平衡盤與平衡鼓聯合機構作為泵軸向力平衡裝置。
2、平衡盤結構存在的缺陷：
(1)當泵轉子以較低速度啟動時，泵中流體產生的推力較小，無法將平衡盤推離平衡座，導致工作時二者接觸，產生研磨，造成磨損，達到一定限度后需進行更換，降低平衡盤使用壽命。
(2)平衡盤軸向間隙極小，使得其應用范圍受限，不適用于泵體內液體含沙、泵干轉或 泵內液體接近氣化等工況。
(3)由于平衡盤依靠平衡管泄露泵內液體，使其前后產生壓差來平衡軸向力，泄露會造成泵的效率降低。
平衡鼓在離心壓縮機軸向力平衡領域應用較為廣泛，其結構如圖2所示，平衡鼓不存在軸向間隙，帶壓液體經平衡鼓徑向間隙進入平衡腔，構成高壓，于其后的空腔內壁上設置平衡管與泵入口相通，使腔內壓力始終大于或等于入口壓力，從而達到平衡軸向力的目的。
采用平衡鼓結構平衡軸向力，平衡鼓結構動靜部間的間隙為制造時制定，無法自動調整平衡力大小，因而，需要在外部安裝止推軸承以平衡多余的平衡力，其優點在于，動靜部無接觸，無磨損，因而使用壽命較長。
單獨采用平衡盤進行水泵軸向力平衡時，由于其軸向間隙極小，當泵體內液體流量發生變化，或水泵工作狀態發生瞬時變化時，極易造成平衡盤與平衡環貼合或卡緊，二者產生研磨、損壞，從而大大降低平衡盤壽命，影響水泵正常運作。因而，為提高水泵軸向力平衡機構性能，可采用平衡鼓結構進行軸向力平衡，但單獨采用平衡鼓結構進行軸向力平衡時，泵體會產生較大泄露，極大地降低了水泵的輸送效率。因此，為了提高平衡裝置總體性能，結合二者優點，可采用平衡盤與平衡鼓聯合結構平衡水泵轉子軸向力。
二、軸向力的產生及危害
水泵在正常運轉過程中，其主軸會產生軸向力。由于泵腔內流體流動，必然會對主軸產生動反力，因而泵工作時產生軸向力不可避免。轉子在軸向力的作用下，產生軸向位移，造成動靜部間相互研磨、碰撞，導致水泵嚴重損壞。軸向力的存在會造成水泵無法長時間平穩運行，降低其使用壽命和整體性能，嚴重時甚至危及操作人員的安全。因此，平衡水泵軸向力，是提高水泵主軸性能，從而提升水泵整體性能及安全性的關鍵。
除以上必然因素造成泵轉子產生軸向力外，其他不合理因素也會導致軸向力，主要有以下幾種：
1、當泵在正常運行時，葉輪吸入口處的壓力為P1，葉輪背面的壓力為P2,且P2>P1。因此沿著泵的軸向方向就會產生一個推力F1。
2、液體流經葉輪后，由于流動方向變化所產生的動反力F2。在多級離心泵中，流體通常由軸向流入葉輪，徑向流出，流動方向的變化是由于液體受到葉輪的作用力，因此液體也反作用給葉輪一個大小相等、方向相反的力。由于葉片上壓力分布不對稱而引起的軸向力F
3。葉片工作面壓強大于葉片背面的壓強，其所形成的壓力差也將產生軸向力。
4、由于葉輪流道內的壓力分布不對稱而產生的軸向力F4。
5、軸臺階，軸端等結構設計存在不合理因素；
6、其他因素引起轉子產生軸向力，如泵腔內徑向流。
7、對于立式泵而言，其內部的轉子是有重力的，這會成為軸向力的組成部分；而對于臥式泵，這個軸向力是不存在的。
8、葉輪前后蓋板不對稱；
在眾多產生軸向力的因素中，泵腔內流體的動反力以及葉輪前后蓋板不對稱是轉子產生軸向力的主要原因。
三、流量與軸向力關系計算
水泵轉子軸向力大小與流體流量關系的計算情況復雜，形式多樣，采用不同形式的平衡結構，其平衡力計算方法也相應不同。本文測試對象擬定采用單平衡鼓或平衡盤與平衡鼓聯合機構兩種不同結構作為泵軸向力平衡裝置，選取性能優者作為平衡方案。分別根據兩種不同結構，確定經平衡裝置平衡后，總軸向力與流量關系。
①采用單平衡鼓作為軸向力平衡裝置，計算采用這一結構時，泵體內流體流量與轉子總軸向力大小關系。
②以平衡盤與平衡鼓聯合機構作為軸向力平衡裝置，計算采用這一結構時，泵體內流體流量與轉子軸向力大小關系。
