关于排污泵的轴向力

一、轴向力的产生及危害

排污泵在正常运转过程中，其主轴会产生轴向力。由于泵腔内流体流动，必然会对主轴产生动反力，因而泵工作时产生轴向力不可避免。转子在轴向力的作用下，产生轴向位移，造成动静部间相互研磨、碰撞，导致水泵严重损坏。轴向力的存在会造成水泵无法长时间平稳运行，降低其使用寿命和整体性能，严重时甚至危及操作人员的安全。因此，平衡水泵轴向力，是提高水泵主轴性能，从而提升水泵整体性能及安全性的关键。

除以上必然因素造成泵转子产生轴向力外，其他不合理因素也会导致轴向力，主要有以下几种：

1、当泵在正常运行时，叶轮吸入口处的压力为P1，叶轮背面的压力为P2,且P2>P1。因此沿着泵的轴向方向就会产生一个推力F1。

2、液体流经叶轮后，由于流动方向变化所产生的动反力F2。在多级离心泵中，流体通常由轴向流入叶轮，径向流出，流动方向的变化是由于液体受到叶轮的作用力，因此液体也反作用给叶轮一个大小相等、方向相反的力。由于叶片上压力分布不对称而引起的轴向力F

3。叶片工作面压强大于叶片背面的压强，其所形成的压力差也将产生轴向力。

4、由于叶轮流道内的压力分布不对称而产生的轴向力F4。

5、对于立式泵而言，其内部的转子是有重力的，这会成为轴向力的组成部分；而对于卧式泵，这个轴向力是不存在的。

6、叶轮前后盖板不对称；

7、轴台阶，轴端等结构设计存在不合理因素；

8、其他因素引起转子产生轴向力，如泵腔内径向流。

在众多产生轴向力的因素中，泵腔内流体的动反力以及叶轮前后盖板不对称是转子产生轴向力的主要原因。

二、水泵轴向力平衡方法

平衡水泵转子轴向力的方法多种多样，例如在泵外部设置推力轴承、于水泵腔体上开设平衡孔或平衡管以降低泵压、叶轮设计时采用背叶片、双叶轮、叶轮对称分布等形式，以及使用平衡盘、平衡鼓结构等。其中，多利用平衡盘和平衡鼓结构对转子轴向力进行平衡。

平衡盘被广泛应用在多级泵的轴向力平衡上，位于泵末级叶轮之后，其结构原理如图1所示。平衡装置存在径向和轴向两个间隙，由末级流出的带压液体，经径向间隙流入平衡盘前的空腔中，使之形成高压力状态。于平衡盘后侧的空腔上开设平衡管，并与水泵入口相连通，使该处空腔内压力与泵入口处压力基本一致。由于平衡盘前后两空腔内压力不等，构成压力差，产生与轴向力反向的平衡力，达到平衡效果。

采用平衡盘结构平衡水泵转子轴向力时，由于轴向力不断变化，平衡力也随之改变，因而，其工作过程是动平衡过程。平衡盘依靠转子窜动自动调节其可变间隙大小，从而调节平衡力大小，能够充分平衡转子轴向力，无需依靠外部推力轴承辅助，因而平衡结构可省略外部推力轴承。

平衡盘结构存在的缺陷：

(1)当泵转子以较低速度启动时，泵中流体产生的推力较小，无法将平衡盘推离平衡座，导致工作时二者接触，产生研磨，造成磨损，达到一定限度后需进行更换，降低平衡盘使用寿命。

(2)平衡盘轴向间隙极小，使得其应用范围受限，不适用于泵体内液体含沙、泵干转或 泵内液体接近气化等工况。

(3)由于平衡盘依靠平衡管泄露泵内液体，使其前后产生压差来平衡轴向力，泄露会造成泵的效率降低。

平衡鼓在离心压缩机轴向力平衡领域应用较为广泛，其结构如图2所示，平衡鼓不存在轴向间隙，带压液体经平衡鼓径向间隙进入平衡腔，构成高压，于其后的空腔内壁上设置平衡管与泵入口相通，使腔内压力始终大于或等于入口压力，从而达到平衡轴向力的目的。

采用平衡鼓结构平衡轴向力，平衡鼓结构动静部间的间隙为制造时制定，无法自动调整平衡力大小，因而，需要在外部安装止推轴承以平衡多余的平衡力，其优点在于，动静部无接触，无磨损，因而使用寿命较长。

单独采用平衡盘进行水泵轴向力平衡时，由于其轴向间隙极小，当泵体内液体流量发生变化，或水泵工作状态发生瞬时变化时，极易造成平衡盘与平衡环贴合或卡紧，二者产生研磨、损坏，从而大大降低平衡盘寿命，影响水泵正常运作。因而，为提高水泵轴向力平衡机构性能，可采用平衡鼓结构进行轴向力平衡，但单独采用平衡鼓结构进行轴向力平衡时，泵体会产生较大泄露，极大地降低了水泵的输送效率。因此，为了提高平衡装置总体性能，结合二者优点，可采用平衡盘与平衡鼓联合结构平衡水泵转子轴向力。结构如图3所示。

采用这一结构的优点在于：

(1)单独采用平衡鼓平衡轴向力时，需在外部加装止推轴承，采用该联合结构时,由于平衡盘的存在，可省略安装止推轴承。

(2)平衡鼓平衡轴向力的同时也可平衡掉一部分平衡盘产生的平衡力，减小平衡盘前后压力差，使平衡盘与支撑环更易分离，不易造成磨损，使整个平衡装置性能可靠。

(3)要求泵进行空转时，需在泵上安装止推轴承，联合机构的存在可以大大降低止推轴承的负荷。

本文给水泵应用于核电站辅助给水，电动机辅助给水泵规格书规定，不允许单独采用平衡盘作为轴向力平衡装置，因而 测试对象拟定采用单平衡鼓或平衡盘与平衡鼓联合机构作为泵轴向力平衡装置。

三、排污泵流量与轴向力关系计算

排污泵转子轴向力大小与流体流量关系的计算情况复杂，形式多样，采用不同形式的平衡结构，其平衡力计算方法也相应不同。本文测试对象拟定采用单平衡鼓或平衡盘与平衡鼓联合机构两种不同结构作为泵轴向力平衡装置，选取性能最优者作为最终平衡方案。分别根据两种不同结构，确定经平衡装置平衡后，总轴向力与流量关系。

①采用单平衡鼓作为轴向力平衡装置，计算采用这一结构时，泵体内流体流量与转子总轴向力大小关系。

②以平衡盘与平衡鼓联合机构作为轴向力平衡装置，计算采用这一结构时，泵体内流体流量与转子轴向力大小关系。

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