多级式离心泵轴向力增大原因及改进措施

多级式离心泵轴向力增大原因及改进措施
摘要：分析了苏尔寿MC80（A）离心式水泵轴向力增大的原因，提出了解决方法，改造后收到了良好的应用效果。

关键词：多级离心式水泵轴向推力密封环间隙
一、前言
辽宁锦天化甲醇车间锅炉给水泵（600P001）采用大连苏尔寿泵厂生产的MC80（A）型多级式离心泵，双机运行。

在使用中水泵机械密封首先出现频繁泄漏现象并伴随止推轴承箱温度升高、继而烧毁轴承。

在多次更换机械密封、止推轴承后，启动泵时造成水泵轴向力瞬间增大，机械密封轴套、折流盘、轴承内圈熔结在一起，解体大修时不得不破坏止推轴承箱，大修周期不足3个月，检修工作量大，水泵运行稳定性低，严重影响正常生产。

分析其原因：主要是水泵工作一段时间后，各级叶轮入口密封环、中级密封环不耐高速水流的冲刷，密封间隙不断增大，造成工作时逐渐产生了较大的轴向推力，超出平衡机构的平衡能力，最终造成上述故障（损坏部件见下图）。

二、水泵正常受力工作状况分析
为排除水泵平衡机构平衡能力不足的因素，我们首先分析水泵正常工作时候转子的受力情况，并校核转子的平衡力。

MC80（A）多级水泵为单吸收多级分级式水泵。

工作时水以轴向速度C1进入叶轮，而以径向速度流出叶轮，形成一定的水动压力。

如果忽略泄漏等因素，工作时水泵每一只叶轮在轴旋转力矩作用下，带动泵腔内水以等角速度运动，逐级提高水的压力，将水泵出。

水泵叶轮前后底盘外表面受到进、出水压力差F1和叶轮内表面动反力F2的影响，机构产生较大的轴向力，迫使叶轮和其它运动件同向入水口方向移动（如图1），观察其运动，前后腔压力在R1到R2半径差值范围内大小相等，方向相反，故相互抵消，即叶轮前后ABCD所受力可认为相同。

但在R1到轴范围内叶轮后侧压力大于叶轮入口侧压力，既CFGH所受力F1就是单个叶轮前后压差所形成的轴向力。

因而整个运动构件（转子）有指向出口的轴向移动。

多个叶轮轴向力同时累加起来是十分巨大的，称为多级水泵平稳运行的主要隐患。

为平衡多级泵的轴向力，通常使用的平衡机构主要有平衡毂、平衡盘或平衡毂与平衡盘的联合机构。

MC80（A）离心泵采用平衡毂平衡方式，可平衡90%-95%的轴向力，剩余轴向力由止推轴承（SKF 31310）承受。

三、转子非正常受力状态分析
由于水泵内各级叶轮前后压力差、泵内介质流速较高，解体检修时发现各级
叶轮入口密封环、中级密封环冲刷严重，平均间隙达到1.5mm。

更换新叶轮入口密封环、中级密封环后运行3个月左右即出现机械密封泄漏，轴承严重烧毁现象。

在排除检修质量不过关的情况下，说明原叶轮入口密封环、中级密封环在材料上已经不能满足运行需要（原入口密封环、中级密封环材质为纯铜制造），使用寿命已经不能达到一个运行周期。

冲刷后叶轮的受力情况（如图2），由于密封环处间隙增大，泄漏量增加造成在R1 到R2半径差值范围内大小不再平衡，由后一级叶轮泄漏的介质到达前一级轮背造成单级轴向力增加，7级叶轮各级间隙泄漏量不同，各级的压力也大小不一，但累计增加的轴向力大大超过了止推轴承的最大止推力（14.3KN），最后的结果就是轴承烧毁，轴承内圈、折流盘、机封轴套熔结在一起。

可见密封环间隙一旦超出了许用范围，虽然效率下降不多，但轴向力却成倍增加，平衡毂的平衡力这时已经不能再起到平衡作用。

由此我们可以假设轴向力只增加一倍后即54KN时，就已经超过了轴承的疲劳负荷限值与平衡力之和，使得水泵运行周期大大缩短。

四、密封环、中级密封环损坏原因
1.装配原因
各级静导叶、轴承箱与轴承箱之间、轴承箱与各级静导叶之间在装配时同轴度不好，造成转子转动时与各级密封环摩擦，间隙增大。

2.密封环材料不适用
2.1铜材料耐磨损性能偏低，在水流大于1.5m/s时，会被水流冲刷导致溃腐蚀。

目前泵内流速最低为1.7m/s。

2.2水质偏软，可溶固体总量小于300mg/L的水容易造成腐蚀。

现在水泵内泵出的介质为精制水，溶固体总量偏低。

2.3铜在热水大于50℃时有腐蚀倾向。

现水泵内介质水温在140℃。

2.4铜材料不纯造成腐蚀。

铜的纯度越高，耐腐蚀性能越好，材料中内含有杂质将造成杂质性的腐蚀。

五、解决方法
首先，要仔细调节前后轴承箱、轴承箱与各级静导叶之间以及各级静导叶之间的同轴度，保证各处装配尺寸、间隙达到设计要求。

其次，更换各级叶轮入口密封环、中级密封环的材质，可以考虑球墨铸铁材料QT-H185（160-210HB）或者QT-H200（170-230HB）。

由于原水泵设计上没有叶轮密封环，密封环直接安装在各级静导叶上进行密封。

如更换球墨铸铁密封环，必须考虑叶轮与叶轮入口密封环及叶轮轮毂与中级密封环的摩擦，并且要求密封环具有良好的耐冲刷、腐蚀性能。

叶轮与密封环摩擦位置、叶轮轮毂与中级密封
环摩擦位置均进行表面硬化处理，硬度在240HB以上，保证其硬度满足使用要求。

这样就可以在不对水泵做大的改造前提下，使水泵平衡机构长时间稳定运行。

六、结论
在更换新材质的叶轮入口密封环、中级密封环后，解决了轴向力增大的问题，并且检修费用较之原来大幅降低，，提高了水泵的运行周期，提高了生产稳定性，保证了生产的正常运行。

参考文献
[1] А.И.斯捷潘诺夫《离心泵与轴流泵》中国工业出版社1965：15165.3797.
[2] 关醒凡《现代泵技术手册》宇航出版社ISBN 7-80034-797-4.
[3]《叶片泵设计手册》沈阳水泵研究所/中国农业机械化科学研究院主编机械工业出版社1983：16033.5174.。