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離心泵軸向推力及其平衡
作者:離心泵 來(lái)源:軸 發(fā)布時(shí)間:2023-06-13
    泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中,轉(zhuǎn)子上作用著軸向力,該力將拉動(dòng)轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)。因此,必須設(shè)法消除或平衡此軸向力,方能使泵正常工作。泵轉(zhuǎn)子上作用的軸向力,由下列各分力組成:
1)葉輪前、后蓋板不對(duì)稱產(chǎn)生的軸向力,此力指向葉輪吸入口方向;
2)軸臺(tái)、軸端等結(jié)構(gòu)因素引起的軸向力,其方向視具體情況而定;
3)轉(zhuǎn)子重量引起的軸向力(如立式泵),與轉(zhuǎn)子的布置方式有關(guān);
4)影響軸向力的其它因素;
5)動(dòng)反力,此力指向葉輪后面。
          
對(duì)于單級(jí)離心泵,作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力包括:
1)葉輪軸向力(F1):是吐出側(cè)葉輪蓋板(Fd)和吸入側(cè)葉輪蓋板(Fs)上的軸向壓力之差,即
F1 = Fd-Fs
2)動(dòng)量(FJ):是一種持續(xù)作用于特定空間中流體的力(可參見(jiàn)流體力學(xué)中的動(dòng)量守恒原理),其計(jì)算如下:
FJ = ρ·Q·ΔVax
式中,
ρ為泵送介質(zhì)的密度
Q為泵送流量
ΔVax為葉輪進(jìn)口和出口處絕對(duì)速度軸向分量之間的差值
3)在軸封處軸的橫截面Ass上由軸封上游和下游的靜壓產(chǎn)生的合成壓力,即
FWd = AWd·ΔpWd
4)特殊的軸向力,例如,在泵啟動(dòng)過(guò)程中,葉輪和殼體之間的間隙(側(cè)隙)中的渦流條件發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的軸向力。
5)其它的軸向力,例如非臥式離心泵上的轉(zhuǎn)子重量(FW)或電動(dòng)機(jī)中的磁拉力(Fmech)等。
對(duì)于非水力平衡的閉式葉輪的軸向推力構(gòu)成:
式中,
α為軸向推力系數(shù)(基于經(jīng)驗(yàn))
ρ為泵送介質(zhì)密度
g為引力常數(shù)(重力加速度)
H為揚(yáng)程
D2m為平均葉輪直徑,
軸向推力系數(shù)基本上取決于比轉(zhuǎn)速。對(duì)于徑向和混流葉輪,以下計(jì)算公式適用于6 rpm < ns < 130 rpm的范圍:
α=0.5 ×(Dsp/D2m)3 + 0.09 ≈ 0.1 ~ 0.3
式中,Dsp為吸入側(cè)葉輪蓋板處受控間隙的直徑。
軸向推力平衡的多種形式
1)機(jī)械平衡:通過(guò)推力軸承(如滾動(dòng)軸承、可傾瓦軸承)完全吸收軸向推力。
2)基于設(shè)計(jì):葉輪背對(duì)背布置,并通過(guò)推力軸承吸收剩余軸向推力。
3)通過(guò)平衡孔平衡或減少單只葉輪上的軸向推力。
4)通過(guò)具有自動(dòng)平衡功能的平衡裝置(例如平衡盤(pán))平衡整個(gè)旋轉(zhuǎn)組件,或通過(guò)平衡鼓和雙平衡鼓進(jìn)行部分平衡。
5)通過(guò)背葉片減少單個(gè)葉輪上的軸向推力。
機(jī)械軸向推力平衡
滾動(dòng)軸承吸收軸向推力是有效、經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而,如果沒(méi)有特殊的平衡設(shè)備,則需要使用特別復(fù)雜的推力軸承,這樣的話在效率和成本方面的好處可能會(huì)被抵消。
基于設(shè)計(jì)的軸向推力平衡
例如,對(duì)于具有4級(jí)葉輪的管道泵,具有兩組背靠背布置的葉輪(每組兩只串聯(lián))來(lái)平衡軸向推力。如果系統(tǒng)條件導(dǎo)致兩級(jí)出現(xiàn)汽蝕,則每組的大軸向推力可能是正常軸向推力的兩倍。
然而,如果選擇更復(fù)雜的(葉輪進(jìn)出口)平行連接的背靠背葉輪布置,則每級(jí)僅產(chǎn)生正常的軸向推力。

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