1离心泵轴向力产生和计算

离心泵的轴向力的产生和计算

摘要：分析几种型式的离心泵轴向力的形成及其影响的各种因素。对应不同结构形式的离心泵，列出其轴向力的相关计算。

关键词：离心泵 原理 轴向力 计算

离心泵作为一种通用机械，在我国国民经济各部门中应用极广，农田排灌、石油化工、动力工业、城市给排水、采矿和船舶工业等等。其在高速、高温、高压环境下，对泵机组的可靠性要求很高，特别是在一些连续性生产的企业，离心泵是流体物料介质的重要输送动力机构，其能否长周期稳定运行直接影响企业的产量和效益。本文简单介绍离心泵的工作原理，轴向力的产生原因及其计算，希望能给用户单位在离心泵使用维护和技术改造方面提供帮助。

一、离心泵轴向力的形成及其影响的诸因素

1 离心泵的工作原理

离心泵是依靠高速旋转的叶轮使液体在离心力的作用下，从叶轮的外缘进入蜗壳，在蜗壳中，由于流道的逐渐扩大，液体的流速逐渐减小，从而将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排除管道。液体由叶轮中心流向外缘使叶轮中心的压力下降，进口管的液体在其本身压力或大气压的作用下，被压入叶轮中。这样只要叶轮不停地旋转，进口管内的液体就会被连续的吸入和排除。

2 轴向力产生的原因

2.1叶轮前后盖板不对称压力产生的轴向力，这是所有轴向力中最重要的一个因素。又由于叶轮盖板的形状是不规则的，所以其轴向力大小比较复杂，此力指向压力小的盖板方向，用1F 或1F 表示；

2.2 液体流过叶轮由于方向改变产生的冲力（动反力），此力指向叶轮后面，用2F 表示；

2.3 轴台、轴端等结构因素引起的轴向力，其方向视具体情况而定，用3F 表示； 2.4 转子重量产生的轴向力，其方向与转子的布置方式有关，用4F 表示；

2.5 当有径向流时会改变压力分布，因而影响轴向力的数值。在叶轮前盖板泵腔，存在向内径向流动，后泵腔中存在向外的径向流动，轮毂处的压力大于无径向流动时的压力。

多级泵因级间泄漏而存在外向的径向流。对于不同的泵，按内向流动压力减小，外向流动压力增加来分析对轴向力的影响；

2.6 叶轮两侧密封环不同，当两侧密封环间隙长度不同，磨损不同时，会产生指向泄漏大的一侧的附加轴向力；

2.7 影响轴向力的其他因素：如制造、装配、泵轴叶轮机械性能等。 二、轴向力的分析、计算

1 盖板力F1

由图可知，叶轮前后盖板不对称，前盖板在吸入口部分没有盖板，另一方面，叶轮前后盖板像轮盘一样带动前后腔内的液体旋转，盖板侧墙内的液体压力按抛物线规律分布。盖板力计算公式是在比较理想的状态下推导出来的。假设盖板两侧无径向流动，作用在盖板上的压力，除口环以上部分与前盖板对称作用的压力相互抵消。其计算公式为：

2222

2

21()[()]

82m h

m h p R R w F g R R H R g π+=ρ---

其中 1F ——轴向力，N

ρ ——液体密度，Kg/m3 g ——重力加速度，m/s2 R ——叶轮半径，m Rm ——叶轮密封环处半径，m Rh ——叶轮后轴颈或级间套处半径，m Hp ——叶轮出口势扬程，m

w ——叶轮旋转角速度，rad/s

1

12

2(1)2p gH H H u =-

其中 1H ——叶轮单级扬程，m 2u ——叶轮出口的圆周速度，m/s

2 动反力F2

液体通常沿轴向进入叶轮，沿径向或斜向流出。液流通过叶轮其方向发生变化，是因为液体受到叶轮作用力的结果。反之，液体给叶轮一个大小相等，方向相反的反作

用力，即为动反力，方向指向叶轮背后。

2t m0m3Q (-)cos F =ρυυε

其中 ρ ——液体密度，Kg/m3 Qt ——泵理论流量，m3/s

m0m3

υυ、 ——叶片进口稍前，出口稍后的轴面速度，m3/s

ε ——叶轮出口轴面速度与轴线方向的夹角。

3 一般离心泵，轴向力估算公式F 或'F

()221w h F k gH R R i

π=ρ-

其中 F ——总的轴向力，N H1 ——泵单级扬程，m Rw ——叶轮密封环半径，m Rh ——叶轮轮毂半径，m i ——泵级数

K ——系数，当泵比转数ns=30~100时，k=0.6；当ns=100~220时，k=0.7；当ns=240~280时，k=0.8。

221'(1)()2w h r

H

F gk H R R i H ρπ=

+-

其中 F ´——总的轴向力，N H ——任意工况点的扬程，m Hr ——设计工况点的扬程，m Rw ——叶轮密封环半径，m Rh ——叶轮轮毂半径，m i ——泵级数

k ——系数，当ns=60~100时，k=1.1；当ns=120~200时，k=0.83。

4 半开式叶轮轴向力F1的计算

()()22

2

221h 2()163p h p m m w F g R R H R R gH R R R g πρπρ⎡⎤⎡⎤=----+-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦

其中 F1——总的轴向力，N Hp ——叶轮出口势扬程，m

R ——叶轮半径，m

Rw ——叶轮密封环半径，m Rh ——叶轮轮毂半径，m w ——叶轮旋转角速度，rad/s Rm ——叶轮密封环处半径，m

5 混流泵叶轮轴向力F1的计算

2

2

2

2222122202()()()

16h h p h h p h w F g R R H R R gH R R g πρπρ⎡⎤=---+-⎢⎥⎣⎦

2

2

2

222020()()16m p m w g R R H R R g πρ⎡⎤----⎢⎥

⎣⎦

6混流半开式叶轮轴向力'

1F 的计算

2

2

2

2222122202'()()()

16h h p h h p h w F g R R H R R gH R R g πρπρ⎡⎤=---+-⎢⎥⎣⎦

211212()()3p h h h h h gH R R R R R πρ⎡⎤

--+-⎢⎥

⎣⎦

7轴台、轴端等结构因素引起的轴向力3F

如右图所示，悬臂式离心泵当轴头吸入压力和大气压力不同时引起的轴向力，特别当