2离心泵轴向力的平衡

离心泵轴向力的平衡

摘要：简述离心泵的几种平衡方式，分析各种平衡方式的特点和其平衡力的计算

关键词：轴向力平衡力计算

我们知道离心泵在运行过程中由于进出口压力的不同，以及流体在泵的进出口的运动状态发生的变化等等因素，在离心泵转子上产生不同方向和大小的轴向力，这些轴向力的合力，会使离心泵的转子在其轴向窜动。这种窜动的后果是严重的，他会使泵的转子与固定零件接触产生摩擦，造成泵零件的损坏以至于不能工作。因此在机械上必须消除或平衡掉这些轴向力，使泵可以正常稳定的工作，保证其工作寿命。以下简单介绍轴向力的平衡方法和平衡力的计算。

1、轴向力的平衡方法

1.1 推力轴承

对于轴向力不大的小型泵，通常采用推力轴承承受轴向力。这种方既简单又法经济适用，即使在采用其他的平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也装推力轴承。

1.2 平衡孔配密封环（或平衡管）

平衡孔配密封环平衡轴向力的效果是减小轴向力，而不能完全平衡轴向力。这种平衡方式减少轴向力的程度取决于孔的数量和孔径的大小，通常取平衡孔的总面积等于5倍平衡环间隙面积。这种情况下任有10%～15%的不平衡轴向力。

1.3 双吸叶轮

双吸叶轮由于结构对称，能平衡轴向力，但是由于制造误差，以及两侧密封环磨损不同，亦会存在一定的残余的轴向力。

1.4 背叶片

背叶片除平衡轴向力外，同时能减小轴封前液体的压力，装背叶片的泵扬程大约提高1%～2%，但泵的效率下降2%～3%。

1.5 叶轮对称布置

叶轮对称布置是将泵的叶轮半数对半数，面对面或背靠背按一定次序排列起来，可使轴向力相互平衡。这种方法主要用于涡壳式多级泵，也可用在节段式多级泵和潜水泵中。

1.6 平衡鼓

平衡鼓是一个圆柱体，装在末级叶轮之后，随转子一起转动。其外圆表面与泵体形成径向间隙。平衡鼓前面是末级叶轮的后泵腔，后面是与吸入口相连通的平衡室，这样作用

在平衡鼓上的压差，形成指向平衡室方向的平衡力。

1.7平衡盘

平衡盘的结构相对以上结构较为复杂，如图所示，

其装在末级叶轮之后，随转子一起旋转。平衡盘装置有

两个间隙，一个是由轴套外圆形成的径向间隙b1，一个

是平衡盘内端面形成的轴向间隙b2，平衡盘后面是平衡

室与泵吸入口联通。

2、比较平衡鼓和平衡盘

2.1平衡鼓平衡轴向力的原理与平衡孔配密封环平

衡轴向力的原理基本相同，其计算公式也基本相同。平衡力大小由平衡鼓直径决定，因而是固定的。平衡鼓平衡轴向力的效果与平衡管相同，也是用来减小轴向力，而不能完全平衡轴向力。平衡鼓是在多级泵的末级叶轮背后，装一圆柱形活塞，称平衡鼓。平衡鼓的后面为平衡室，通过平衡管将平衡室与入口管连通。因此，平衡室中的压力P0等于吸入室中液体压力与平衡管中阻力损失之和。平衡鼓的前面末级叶轮泵腔，也就是该泵的最高压力P，平衡鼓与平衡套或泵壳密封环之间有极小的间隙，所以平衡鼓两侧有很大压力差（P- P0），就是利用这个压力差来平衡指向入口方向的轴向推力的。为了减少从平衡鼓前的高压区漏向平衡室，平衡鼓套之间隙应尽量小。采用这种装置，一方面可平衡轴向力，另一方面可减小密封腔内压力，使两端密封腔内压力基本相同。平衡鼓装置，只能平衡轴向推力，不能限制转子的位置，且在工况变动时，转子会无规律的串动，造成残余不平衡力，因此装有平衡鼓的泵，必须加装止推轴承。

2.2平衡盘和平衡鼓不同，它能自动平衡轴向力，这是因为平衡盘两个间隙（径向间隙和轴向间隙）相辅相成的结果。平衡盘是靠泄漏产生压差来变化平衡力的，没有泄漏就不能达到轴向力的完全平衡。平衡盘的工作过程是一个运动平衡的过程。平衡盘安装在多级泵的末级叶轮背后，平衡盘除轮毂（或轴套）与泵体之间有一个间隙b1外，在盘与泵体之间还有一个轴向间隙b2，平衡盘的背后则是通入口管的平衡室。末级叶轮背后的高压液体流向径向间隙b1，压力从P降到P′，由于P′大于P0（平衡室压力），平衡盘两侧产生一压力差，压力P′液体将平衡盘推向后面并经间隙b2流向平衡室，这个推开平衡盘的力即为平衡力，与转子的轴向推力方向相反。当叶轮上的推力大于平衡力时，转子就向前移，使间隙b2减小，减少了泄漏量，而压力P′则增高，也就增加了平衡力，转子不断前移，P′也不断增高，当移到某一位置时，平衡力与轴向推力相等，亦即达到了平横，

由于惯性，运动着的转子不会立即停止在平衡位置上，还要继续移动，轴向间隙b2还会继续变化，直到因阻力而停止，但停止的位置并非平衡位置，此时平衡力超过轴向力，所以又使转子向相反方向即向后移动，即又开始了一个新的平衡循环。这样多次反复动作，一次比一次移动的少，最后可稳定下来，使转子停留在新的平衡位置上。当泵的工况发生变化时，轴向力也就会又如上所述重新调节。 可以看出，平衡盘的平衡状态是动态的，即转子是在某一平衡位置上作衰减脉动，当工作点改变时，转子会自动的移动到另一平衡位置上作轴向衰减脉动。平衡盘的轴向脉动不宜过大，也就是间隙b2变化范围不宜过大。这决定于径向间隙b1的大小。b1过大，使P ′接近P ，即使b2再大，也不会变化，即失去了自动平衡的能力。若b1过小，b2稍有变化，P ′压力即下降到P0，亦即P ′变化幅度大。为保证转子能顺利的轴向移动，只能安装径向轴承。

3、平衡力的计算（这里主要介绍平衡鼓和平衡盘的平衡力的计算）

3.1平衡鼓平衡力的计算

3.1.1压差计算

g R R g P P h ρω)(82

2

2223--=

g H i H P P p ρ])1

([112+-+= 其中P1——第一级叶轮进口压力；

H1——泵单级扬程；

i ——泵的级数；

Hp ——末级叶轮势扬程。

gh P P ρ+=15

其中h ——联通管的水力损失。

平衡鼓前后的压差：53P P P -=∆

或近似按公式g H K H P ρ])1([1--≈∆

其中H1——末级叶轮扬程；

H ——总扬程；

K ——经验系数，通常取K=0.6；

ρ——液体密度。

3.1.2平衡鼓平衡力 π)(2

21h R R P F -∆=