3轴向力及其平衡

第三节离心泵的轴向力

一、轴向力的产生

双吸叶轮由于叶轮对称布置，轴向力相互平衡，所以不存在轴向力。

但是单吸叶轮不具备像双吸叶轮那样的对称性，由于作用在叶轮两侧的压力不等，故有轴向力存在。

下图为一般单吸多级泵叶轮两侧的压力分布情况。

叶轮吐出压力为P2，一般认为在叶轮和泵体间的液体，受叶轮旋转效应的影响以N/2（N为泵转速）速度旋转，所以在叶轮和泵体间的压力是按抛物线形状分布的。

图的右侧是在叶轮后盖板上压力分布情况，左侧为在前盖板上压力分布情况。由图中可见，在密封环半径r w以上，叶轮两侧的压力是对称的，没有轴向力。在密封环半径r w以下，作用在左侧的是叶轮入口压力P1，作用在右侧的仍是按抛物线分布的压力。因此，两侧压差ABCD乘相应的面积就是作用在叶轮上的轴向力。

轴向力的大小可按下列经验公式计算：

F1=KHiγπ(rw2-rh2)

式中F1—作用在一个叶轮上的轴向力（公斤）；

Hi—单级杨程（米）；

γ—液体重度（公斤/米

r w—叶轮密封环半径（米）；

r h—叶轮毂半径（米）；

K—实验系数。与比转数有关。当n s =40–200时，K=0.6–0.8。

半开式（没有前盖板）叶轮的形状与比转数有关。作用在半开式叶轮上的轴向力也与比转数有关，可以近似地用下列经验公式计算：

F1=2πr1d1kHiγ

式中k—轴向力系数；

d1—圆心在叶片进口边上，并与叶轮轮廓相切的圆的直径（米）；它的圆心处的半径就是r1（米）。

除了由于压力不对称所引起轴向力以外，液体的反冲力也能产生轴向力。液体进入叶轮后运动方向由轴向变为径向，就给予叶轮一个反冲力，其方向与轴压力不对称所引起的轴向力相反。在起动时，由于泵内正常压力还没有建立，所以反冲力的作用比较明显。如：起动时深井泵转子上串，多级泵转子后串，都是这个原因，但是正常运转中，这个力是比较小的，可以忽略不计的。

除了由于叶轮外部压力分布不对称相起轴向力外，叶轮内部压力不对称也级引起轴向力。我们知道，叶片工作面压力大于叶片背面的压力。扭曲叶片的工作面在平面图上的投影面积为，叶片背面在平面图上的投影面积为，叶片工作面和背面的压力乘以相应面积后的差值就是轴向力。由叶轮内部压力分布不对称所产生的轴向力方向是指向前盖板的。现在还没有适当的方法计算这个力，由于这个力不大，一般也不考虑。

对一般入口压力较低的泵来说，只要计算由叶轮两侧压力分布不对称所引起的轴向力就可以了，但是对入口压力较高的悬臂式单吸泵来说，还必须考虑由作用在端上的入口压力所引起的轴向力。

二、轴向力的平衡

如果不设法消除和平衡叶轮上的轴向力，泵的转动部分（转子）必然在轴向力推动下发生串动，转子与泵体发生研磨，使泵不能工作。因此克服轴向力并限制转子的轴向串动，是必须的。

经过长期的生产实践，人们从分析轴向力产生的原因中找出了以下平衡轴向力的方法1.利用对称性，平衡轴向力

从分析对称形状的双吸叶轮可知，它是由两个相互对称的单吸叶轮靠在一起构成的，相当于两个单吸叶轮并联工作，这种叶轮的轴向力是自动平衡的。

根据这个道理，把两个叶轮背靠背地或面对面地装在一根轴上，并使它们串联工作，这就成了多级泵。尽管在单个叶轮上仍有轴向力的作用，但是，对由两个对称叶轮组成的泵转子整体说不，却没有轴向力了。

这个办法，广泛的应用在单吸两级悬臂泵、涡壳式多级泵以及筒袋泵、立式多级泵等产品上。

2.改造叶轮，以减小或平衡轴向力

用改造叶轮形状的办法，降低叶轮背面压力，达到平衡或减小轴向力的目的。

2.1在叶轮后盖上装密封环，其直径与前盖板密封环直径相等。

后盖板上的密封环与叶轮后盖板上的平衡孔相配合，或与泵体上的平衡管相配合，就能平衡大部分轴向力。

这样的叶轮两侧的压力基本是是平衡的。这种泵结构简单，只是有一部分液体流回叶轮吸入口，降低了泵的容积效率．通常取平衡管截面面积或平衡孔截面总面积为密封环间隙环形截面面积的3-6倍。

在用平衡孔平衡轴向力时，平衡孔的位置对平衡轴向力的程度和泵效率有一定影响。一般的说，平衡孔越靠近密封环，平衡轴向力的效果越好，但由于叶轮流道中的液流受到平衡孔液流的冲击，所以泵效率略有降低，如图所示。平衡孔或平衡管在单级泵上广泛采用。在一部分小型多级泵上也有采用平衡孔和止推轴承相配合以平衡轴向力的。

2.2利用叶轮后盖板上的径向筋板平衡或减小轴向力。

筋板强迫叶轮后面的液体加快旋转，使叶轮背面压力显著下降，达到了减小或平衡轴向力的目的。但这种方法在实际中还很少采用。

3.采用专门平衡装置

在平衡轴向力的专门装置中最容易想到的就是使用止推轴承，止推轴承在小型泵中可以承受全部轴向力。而且采取上述两种平衡轴向力办法的同时，也必须试验止推轴承来承担剩余的轴向力，并限制转子的轴向窜动。但在分段式多级泵中，由于轴向力很大，一般止推轴承是无力胜任的。

3.1平衡鼓装置

平衡鼓是个装在轴上的圆柱体，它在多级泵末级叶轮之后。平衡鼓外圆表面与泵体上的平衡套之间，有很小的间隙。这和活塞装在气缸里的情形完全一样。用联通管把平衡鼓后面

和泵吸入口连通起来。这样，平衡鼓前面是高压区，压力为P（与末级叶轮背面一样），而平衡鼓后面却是低压区，压力为P O（由于和泵吸入口相通），平衡鼓受液体向后（即由叶轮入口向后盖板方向）的推力，这个力叫平衡力。

显然，平衡力与平衡鼓承压面积和平衡鼓两侧压差有关。

平衡鼓两侧压差用下列经验公式计算：P-P0=10-4[H -(1-k) ]H iγ

式中（P-P0）---平衡鼓两侧压差（公斤/厘米2）

H—泵的总扬程（米）；

H i---末级叶轮扬程（米）；

K---公式中经验系数，一般取K＝0.6

γ――液体重度（公斤/米3）

单独使用平衡鼓时，必须有止推轴承配合，因为由于计算不完全切合实际，或在泵的工作点改变时，就会破坏轴向力和平衡力的平衡，整个转子上仍然会有剩余的轴向力。此外，平衡鼓不能限制转子轴向窜动，也是需要加止推轴承的原因。现在单独使用平衡鼓装置时较少的，有时平衡鼓与平衡盘联合使用。在这种装置中，平衡鼓承受了50—80％左右的轴向力，这样就减少了平衡盘的负荷。经验表明这种结构效果还是比较好的。对于起停频繁的小型多级泵，可以采用平衡鼓与止推轴承联合使用，以平衡轴向力。

3.2平衡盘装置

平衡盘装置如图P203所示。在平衡盘装置中，除了轮毂（或轴套）与泵体之间有一个径向间隙之外，在平衡盘与泵体之间还有一个轴向间隙b0，平衡盘的后面和吸入口相通。

这样，径向间隙前的压力就是末级叶轮背面的压力P，而平衡盘后的压力P0则接近泵的入口压力。在多级泵中，平衡盘装置两边的压差P/-P0是很大的。液体受这个压差的作用，流过径向间隙，压力下降到P/，再流过轴向间隙，压力下降到P0，最后流到泵的入口。

在平衡盘上，由于两侧存在着压力差P/-P0，就有一个向后的力作用在平衡盘上，这个力就叫平衡力，方向与叶轮上的轴向力正好相反。

平衡盘是怎样工作的呢？平衡盘的两个间隙又有什么特点呢？

当叶轮上的轴向力大于平衡盘上的平衡力时，泵转子就会向前移动，使轴向间隙b0减小，增加液体的阻力损失，因而就减小了泄漏量Q，泄漏量减小后，液体流过径向间隙的压力下降就较少了，从而提高了平衡盘前面的压力P，压力的上升，就增加了平衡盘上的平衡力。转子不断向前移动，平衡力就不断增加，到某一个位置，平衡力和轴向力相等，达到平衡。

同样，当轴向力小于平衡力时，转子将向后移动，移动一定距离后，轴向力和平衡力达到了平衡。

但是，由于惯性，运动着的转子不会立刻停止在新的平衡位置上，还要继续移动，轴向间隙继续变化，例如间隙变小，平衡力就会超过轴向力而阻止转子继续移动，直到停止。可是，转子停止移动的位置并非平衡位置，此时平衡力超过轴向力，使转子又向后移动，又开始了从不平衡到平衡的矛盾运动，使转子回到平衡位置。当然，转子还是要离开平衡位置的。离心泵在工作中，工作点是经常变化的，轴向力也就经常变化，转子就会经常发生轴向移动，以达到新的平衡。

综上所述，平衡盘的平衡状态是动态的，也就是说，泵的转子是在某一平衡位置左右做轴向脉动。当工作点改变时，转子会自动地移到到另一平衡位置上去做轴向脉动。由于平衡盘有自动平衡轴向力的特点，因而得到广泛应用。

离心泵在运转中，过大的轴向移动和过大的轴向脉动都是不许可的。过大的轴向移动和轴向脉动，会使平衡盘，平衡板，叶轮，泵体发生研磨而损坏，会使泵发生振动而失去平