离心式泵的轴向力的平衡装置

1)轴向力的平衡装置

单吸单级泵和某些多级泵的叶轮有轴向推力存在，该力只靠泵轴向的止推轴承难以完全承受，必须安装轴向力平衡装置。产生轴向推力的原因主要是作用在叶轮两侧的流体压强不平衡所引起的。

图4-12为作用于单吸单级泵叶轮两侧的压强分布情况。一般认为叶轮与泵体之间的液体压力按抛物线形状分布。在密封环直径以外，叶轮两侧的压是对称的，无轴向力。但在以内，作用在叶轮左侧的压力是人口压力，作用在叶轮右侧的压力是出口压力，且，存在压力差。两侧压力差与相应面积的乘积再积分，就是作用在叶轮上的轴向力。所以，离心泵的轴向力总是指向叶轮的吸入口方向。对于单吸多级泵，每级叶轮都产生轴向力，其值可能很大，仅靠轴向止推轴承平衡会使轴承无法承受，将严重降低其使用寿命。

图4-12叶轮两侧压强分布图

从长期的生产实践中总结出许多平衡轴向力的方法，如利用叶轮的对称性、对叶轮结构进行改造、增设专门的平衡装置等，在应用中都收到了良好的效果。轴向力的平衡方法有：（1）利用叶轮的对称性平衡轴向力，采用双吸叶轮或对称排列的方式。

图4-13叶轮对称排列平衡轴向力

对于单级泵，利用双吸叶轮，使叶轮两侧盖板上的压力相互抵消，可以很有效地平衡轴向力。对于多级泵，利用对称排列方式，即将总级数为偶数的叶轮，如图4-13所示背靠背或面对面地串联在一根轴上。这种方法不能完全消除轴向力，一般还应安装止推轴承。卧式多级泵和立式多级泵，常采用此法。

（2）改造叶轮结构平衡轴向力。

对于单吸离心泵，可以适当改变叶轮结构，消除或减少轴向力。主要的有3种方法：

图4-14改变叶轮结构平衡轴向力

（a）平衡孔法（b）平衡管法

①平衡孔法。即在如图4-14（a）所示的叶轮后盖板上开一圈小孔，称作平衡孔，使后盖板密封环内的压力与前盖板密封环内的压力基本相等。由于前、后盖板密封环直径相同，故大部分轴向力可以被平衡。

②平衡管法。如图4-14（b）所示，在前、后盖板上都安装有直径相同的密封环，并自后盖板泵腔处接一根平衡管，使叶轮背后的压力液与泵的吸入口接通，以消除大部分轴向力。

③安装专用的平衡装置。对于单吸多级泵，特别是分段式多级泵，叠加的轴向力很大，一般依靠平衡装置平衡轴向力。主要有：

a.自动平衡盘平衡轴向力。自动平衡盘多用于多级离心泵，安装在末级叶轮之后，随转子一起旋转，如图4-15所示。该平衡装置有两个间隙，一个是轮毂或轴套与泵体间的径向间隙b0=0.2～0.4mm；另一个是平衡盘端面与泵体上平衡圈间的轴向间隙b0=0.1～0.2mm；平衡盘后面的平衡室用连通管与泵的吸入口连通，压力接近吸入口压力p0。

图4-15平衡盘装置

液体在径向间隙前的压力是末级叶轮后盖板下面的压力p，通过径向间隙后下降为p＇，压力降Δp=p－p＇液体再流经轴向间隙后，压力降为p0，轴向间隙两边的压力差Δp2=p＇－p0；平衡盘两边的压力差Δp=Δp1+Δp2=（p－p＇）+（=p＇－p0）=p－p0。

而在平衡盘两边的压差只有，故液体对平衡盘就有一个力P，此力与轴向力方向相反，称为平衡力，其大小应与轴向力相等，方向相反，即F—P=0，此时轴向力得到完全平衡。

这种装置中的径向间隙和轴向间隙各有其作用，又互相联系，可以自动平衡轴向力。当工况改变，轴向力F与平衡力P不相等时.转子就会轴向窜动。若转子就向左边的吸入方向移动，轴向间隙b0减小，液体流动损失增加，漏失量减少，平衡盘前面的压力p＇增加。在总液压差不变的情况下，因泄漏量减少，下降，因而压差增大，平衡力P随之增大，转子开始向右边的出口方向移动，直至与轴向力平衡为止。若轴向力F＜P，转子向右移动，轴向间隙b0增大，流动损失减小，泄漏量增加，平衡盘前压力p＇减小，Δp1增大，Δp2减小，平衡力P随之减小，转子又开始向左移动，直至再与F平衡。

由于泵的工况不断变化，以及转子惯性力的作用，转子不会总停留在一个位置，而是在某一位置左右作轴向窜动，因此，平衡盘的平衡是动态的。鉴于此，采用平衡装置时，一般不安装轴向止推轴承。轴向间隙b0很小，当转子窜向左边时，平衡盘与平衡圈间可能产生严重的磨损。为了增加耐磨性，平衡圈一般采用不锈钢，平衡盘采用磷锡青铜等材料制成。

由于平衡盘可以自动平衡轴向力，平衡效果好，而且结构紧凑，因而在分段式多级离心泵上得到了广泛的应用。但由于存在窜动，使工况不稳定，且平衡盘与平衡圈经常磨损，此外还有引起气蚀、增加泄漏等不利问题，故现代大容量水泵已趋向于不单独采用。

b. 平衡鼓平衡轴向力。图4-16是平衡鼓装置，它是安装在末级叶轮后面与叶轮同轴的鼓形轮盘，其外圆表面与泵体上的平衡圈间有0.2～0.3mm很小的间隙。平衡鼓左侧压力接近叶轮出口压力为p2；平衡鼓后面的连通管与泵吸入口连通，平衡鼓右侧的压力接近泵的吸入压力p；平衡鼓两侧产生压差Δp=p2—p0，因而在平衡鼓上有一个与轴向力方向相反的平衡力P。平衡鼓的主要优点是当转子轴向窜动时，不会与静止部分发生摩擦；缺点是不能完全平衡轴向力，在单独使用时，必须安装双向止推轴承。为了减小密封长度，增加阻力，减少漏失量，平衡鼓和平衡圈可制成迷宫形式。

c. 平衡盘与平衡鼓组合装置平衡轴向力。图4-17是采用平衡盘与平衡鼓组合装置，可以由平衡鼓平衡50%～80%左右的轴向力，剩余的轴向力由平衡盘承受。这样，既减轻了平衡盘上的负荷，保持较大的轴向间隙，避免了由于转子窜动而引起的磨损，又可以自动地平衡轴向力，而无需安装止推轴承。目前在大流量高压头的分段式多级离心泵中，大多采用此种组合装置。

离心式泵除以上介绍的主要部件外，尚有泵轴、托架、联轴器、轴承等其他部件。

图4-16平衡鼓装置图4-17平衡盘与平衡鼓组合装置