离心泵轴向力产生原因与平衡措施有哪些(离心泵轴向力产生原因与平衡措施)

导语：离心泵轴向力产生原因与平衡措施

一、离心泵轴向力产生的原因

离心泵在运转时，由于单吸叶轮缺乏对称性，其前盖板小于后盖板的面积，所以承受力就小于后盖板的承受力，如图1，液体就会在泵的转子上产生一个很大的作用力，由于此作用力的方向与离心泵转轴的轴心线相平行，所以称为轴向力。轴向力的存在对离心泵有很大的危害，不平衡的轴向力会加重止推轴承的工作负荷，对轴承不利，同时轴向力使泵转子向吸入口窜动，造成振动并可能使叶轮口环摩擦使泵体损坏，更严重的是由于转子位移，可能导致转子元件与定子元件的摩擦、碰撞乃至机器损坏。因此离心泵必须采取措施降低离心泵的轴向推力。

图1 叶轮两侧压力分布

二、离心泵轴向力的平衡措施

1、推力轴承

对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力，通常是简单而经济的方法。即使采用其他平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也装设推力轴承。

2、平衡孔或平衡管

如图2所示，在叶轮后盖板上附设密封环，密封环所在直径一般与前密封环相等，同时在后盖板下部开孔，或设专用连通管与吸入侧连通。由于液体流经密封环间隙的阻力损失，使密封下部的液体的压力下降，从而减小作用在后盖板上的轴向力。减小轴向力的程度取决于孔的数量和孔径的大小。在这种情况下，仍有10~15%的不平衡轴向力。要完全平衡轴向力必须进一步增大密封环所在直径，需要指出的是密封环和平衡孔是相辅相成的，只设密封环无平衡孔不能平衡轴向力；只设平衡孔不设密封环，其结果是泄漏量很大，平衡轴向力的程度甚微。

图2 平衡孔示意图

采用这种平衡方法可以减小轴封的压力，其缺点是容积损失增加（平衡孔的泄漏量一般为设计流量的2~5%）。另外，经平衡孔的泄漏流与进入叶轮的主液流相冲击，破坏了正常的流动状态，会使泵的抗汽蚀性能下降。为此，有的泵体上开孔，通过管线与吸入管连通，但结构变得复杂。

采用上述平衡方法，轴向力是不能达到完全平衡的，剩余轴向力需由泵的推力轴承来承受。用平衡孔平衡轴向力的结构使用较广，不仅单级离心泵上使用，而且多级离心泵上也使用。但由于轴向力不能完全平衡，仍需设置止推轴承，且由于多设置了一个口环，因而泵的轴向尺寸要增加，因此仅用于扬程不高，尺寸不大的泵上。

3、双吸叶轮

单级泵采用双吸式叶轮后，因为叶轮是对称的，所以叶轮两边的轴向力互相抵消。但实际上，由于叶轮两边密封间隙的差异，或者叶轮相对于蜗室中心位置的不对中，还是存在一个不大的剩余轴向力，此轴向力需由轴承来承受。

4、背叶片

泵背叶片是加在后盖板的外侧，即相当于在主叶轮的背面加一个与吸入方向相反点的附加半开式叶轮，如图3。为了便于铸造，这种背叶片通常都是做成径向的，也有做成弯曲的。叶轮加背叶片之后，背叶片强迫液体旋转，液体的旋转角速度增加，改变了后盖板的压力水头分布减小了不平衡力。剩余轴向力仍需由轴承来承受。

图3 背叶片示意图

背叶片除平衡轴向力外，同时能减小轴封前液体的压力。装背叶片泵的扬程大约提高1~2%，使泵效率下降2~3%。背叶片还有防止杂质进入轴封的功能，输送含杂质液体的泵中常采用。

5、叶轮对称布置

该方法主要用于多级泵。泵的所有叶轮平均分为两个方向布置，面对面或者背靠背地按一定次序排列起来（如下图），可使轴向力相互平衡，如图4。

图4 叶轮对称布置示意图

布置叶轮的原则是：

1、级间过渡流道不能很复杂，以利于铸造和减小阻力损失；

2、两端轴封侧应布置低压级，以减小轴封所受的压力；

3、相邻两级叶轮间的级差不要过大，以减小级间压差，从而减小级间泄漏。

节段式泵对称布置可平衡轴向力，但级间泄漏增加。对称布置叶轮，只有在结构完全相同的条件下，才能完全平衡，当各级的轮毂轴台不同时，也将产生一定的轴向力。

6、平衡鼓

图5表示了平衡鼓的典型结构，采用平衡鼓平衡轴向力时平衡鼓通常安装在末级叶轮后，平衡室通过平衡管与泵的入口相连通，平衡室中液体的压力接近于泵入口处液体的压力。平衡鼓左面为最后一级叶轮的后腔,承受的压力接近于泵出口压力,因此平衡鼓前后有很大的压力差,形成一个向后的推力,这个推力将与作用于转子上的总轴向力相平衡。平衡鼓机构在设计工况下平衡轴向力效果好,在其他工况下轴向力不能完全平衡。因此,使用用平衡鼓时必须采用双向止推轴承来承受剩余轴向力。

图5 平衡鼓

7、平衡盘

平衡盘可在不同工况自动完全地平衡轴向力，故广泛地应用于多级离心泵。如图5所示，在轴套与泵体间存在一个间隙，在盘端面与泵体间有一个轴向间隙bo，平衡盘后面有与泵吸入口相通的平衡室。径向间隙b前的压力是末级叶轮背面的压力p，液体经过间隙b后，压力降低为p＇，径向间隙的压力降为△p1=p-p＇，液体通过轴向间隙b0后，压力再下降至po轴向间隙两端的压力降为△p2=p＇-po，其中po和泵吸入口的压力接近。整个平衡盘装置的压力降为△p=△p1+△p2。这样，在平衡盘上作用一个平衡力，方向与泵的轴向力相反。

图6 平衡盘示意图

平衡盘的工作原理是：当轴向力大于平衡盘的平衡力时，离心泵转动部分向左移，轴向间隙bo随之减少，流体流过间隙的阻力加大，整个平衡装置的总阻力系数也因此加大。但是，△p不变，所以泄漏量q减少，结果是△p1减少而△p2增大，从而增加了平衡力，随着转动部分不断向左移动，平衡力不断增加，到达某一位置时，平衡力和轴向力达到平衡。当轴向力小于平衡力时，转动部分向左移动，与上述过程相反，也使离心泵处于轴向平衡状态。所以装有平衡盘装置的离心泵，一般不配止推轴承。

8、平衡盘和平衡鼓相结合

图1-4表示典型盘-鼓相结合的结构。这种组合结构，保留了平衡盘自平衡的优点，当泵的轴向力发生变化时，通过轴向间隙的变化，调整中间过流室的压力来达到自平衡，不会引起平衡室的压力变化，泵的机械密封不会受到影响。目前，加氢装置反应器高压进料泵一般均采用盘-鼓结合的轴向力平衡方式。

图7 平衡盘和平衡鼓相结合

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