摘要：节段式多级泵的轴向力平衡机构有多种，不同型式的平衡机构平衡轴向力的原理不同。平衡机构的可靠程度直接影响泵组的运行稳定性。本文将简单的叙述节段式多级泵轴向力平衡的几种常见结构形式，并针对唐山中浩化工有限公司锅炉给水泵平衡鼓磨损严重问题给出解决措施。
关键词：节段式多级泵；轴向力平衡；平衡鼓；平衡盘
1.常见的几种轴向力平衡机构
1.1叶轮对称布置法
叶轮级数为偶数时可采用叶轮对称布置法平衡轴向力，叶轮安装时采用面对面或者背靠背顺序，可使轴向力相互平衡。此种方法可平衡轴向力，但级间泄漏增加，对称布置的叶轮，只有在完全相同的条件下，才能完全平衡，当各级的轮锻轴台不同时，会产生一定的轴向力。
1.2开平衡孔或装平衡管法
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，或使用过渡管与吸入侧相连通。由于液体流经密封环间隙的阻力损失，使密封环 下部液体的压力下降，从而减小作用在后盖板上的力。减小力的程度取决于孔的数量和孔径的大小。采用这种平衡方式可以减小轴封的压力，其缺点是容积损失增加（平衡孔的泄漏一般为设计流量的2%-3%）。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，会影响泵的抗汽蚀性能，使其下降。为此，有的泵在泵腔出口位置安装平衡管，将叶轮后盖板处的高压介质与吸入口相连通，从而减小轴向推力，平衡孔或平衡管，结构复杂，若平衡管产生回水不畅或堵塞，更会造成重大的机械故障。
1.3平衡盘法
平衡盘装置由装在轴上的平衡盘和固定在泵壳上的平衡环组成，平衡盘直径Dw与叶轮密封环直径Dm的一般关系是Dw=1.05Dn。平衡装置中有2个间隙，一个是由轴套外圆间隙形成的径向间隙，另一个是平衡盘内端面的轴向间隙，平衡盘后侧的平衡室与泵吸入口相连通。平衡盘是靠泄漏产生压差工作的，没有泄漏也就没有平衡力。但应设法在最小泄漏下产生较大的平衡力，一般平衡盘的泄漏量为额定流量的3%～8%。平衡盘和平衡鼓不同，它能自动平衡轴向力，这是因为平衡盘的2个间隙是相辅相成的结果，平衡盘装置的总压差等于径向压差和轴向压差之和，图a是平衡盘工作原理图。
图a 平衡盘工作原理图
平衡盘结构与各部分承担轴向力如图b所示，平衡力一部分由径向间隙直径R0至平衡盘轴向间隙内半径R1截面上产生，另一部分由平衡盘轴向间隙内半径R1到外半径R2截面上产生。平衡盘的灵敏度越高，平衡盘的径向尺寸越大，通常取K=O.3～0.5，泄漏量一般为额定流量的4%～100%，但高扬程小流量泵可能高达20%。
图b 平衡盘示意图
离心泵工作时，当叶轮上的轴向力大于平衡盘上的平衡力时，泵的转子就会向吸入方向窜动，使平衡盘的轴向间隙减小，增加液体的流体阻力，因而减少了泄漏量。泄漏量减少后，液体流过径向间隙的压力降减小，从而提高了平衡盘前面的压力，即增加了平衡盘上的平衡力。随着平衡盘向左移动，平衡力逐渐增加，当平衡盘移动到某 一个位置时，平衡力与轴向力相等，达到平衡。同样，当轴向力小于平衡力时，转子将向右移动，移动一定距离后抽向力与平衡力将达到新的平衡。由于惯性，运动着的转子不会立刻停止在新的平衡位置上，而是继续移动促使平衡破坏，造成转子向相反方向移动的条件。泵在工作时，转子永远也不会停止在某一位置，而是在某一平衡位置左右轴向窜动。当泵的工作点改变时，转子会自动地移到另一平衡位置做轴向窜动。由于平衡盘有自动平衡轴向力的特点，因而得到广泛应用。泵在运转的过程中，过大的轴向移动是不允许的，否则会使平衡盘发生磨损，转子发生共振，转子失去稳定性。
1.4平衡鼓法
平衡鼓是一个圆柱体，装在末级叶轮的后面，如图c所示，平衡鼓后面为平衡室，与第一级叶轮的吸入室相通。因此，平衡鼓前面的压力接近于末级叶轮的排出压力，而平衡鼓后面的压力等于吸入室中压力与平衡管中阻力损失之和，这个压力差值造成作用在平衡鼓上的平衡力和轴向力互相平衡，平衡鼓外圆面和泵体上平衡套内圆面间的间隙很小，约为O.2～0.3mm，由于泵的工况点经常变动，使轴向力与平衡力的平衡状态受到破坏，因此，仍需装止推轴承来承受剩余轴向力。
图c 平衡鼓示意图
英国WEIR公司确定平衡鼓直径为首级叶轮密封环直径的93%。平衡鼓法承受平衡力过大，在大流量工况下容易引起轴向力反向，引起转子振动。
1.5平衡盘鼓法
平衡盘鼓联合装置与平衡盘的区别是：平衡盘鼓的节流轴套部分尺寸比轮毂尺寸大，而平衡盘节流轴套部分与轮毂同尺寸。平衡盘鼓结构与各部分承担轴向力如图d所示，通常由平衡鼓平衡总轴向力的50%～80%，最大可到90%，增加平衡鼓的平衡力，有利于减小平衡盘的尺寸和增加轴向间隙，减少平衡盘的磨损。通常平衡盘外半径Rw=（1.2～1.4）Rn，平衡盘轴向间隙长度b0=（0.2～0.4）Rn。
图d 平衡盘鼓示意图
1.6双平衡鼓法
双平衡鼓实质上就是在平衡盘鼓联合装置基础上，在平衡盘外径上增加一道径向间隙，使平衡盘起到部分平衡鼓的作用，这样可以使轴向间隙进一步加大，进而减少平衡盘的磨损和降低轴向间隙对装配的要求，同时也增加了阻力损失，减少平衡水的泄露量。双平衡鼓结构与各部分承担轴向力如图e所示，一般由平衡鼓（小鼓）平衡50%～70%的轴向力，平衡盘（大鼓〉平衡剩余的轴向力。一般选小鼓的径向间隙长度L1=120～160mm，大鼓的径向间隙长度Lw=40～80mm，大鼓的轴向间隙b0=0.15～0.25mm，轴向间隙大，平衡盘不易产生摩擦，但平衡室压力下降，会 减少大鼓的平衡力。
图e 双平衡鼓示意图
2.平衡机构的磨损
2.1零件的材料
不同的材料及热处理硬度，其耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性不同，材料不同，平衡盘的磨损不同。这是影响使用寿命的重要因素之一。通过实际使用调查，使用铸铁制造的平衡盘耐磨性最差，其使用寿命都在1000h以下，由铬钢制造的平衡盘，其寿命可达3000h，而用硬质合金制造的平衡盘，其寿命在4000h以上。
2.2水质
水质不同，酸碱性不同，平衡盘的使用寿命也不同。例如煤矿井下水中约含0.03%～20%的泥砂，水中所含杂质进入平衡盘系统，加速了平衡盘的磨损。
2.3平衡机构（平衡盘）的灵敏度
平衡机构的灵敏度低，则必须在轴向间隙变化很大的情况下，才能使平衡力发生显著变化。而过大的轴向移动，会使转子发生振动，失去稳定，平衡机构发生研磨。另外，若平衡室与吸水段连通的平衡水管不通畅，平衡盘背压力大，则轴向力不能平衡，平衡盘与平衡环直接磨擦，平衡盘磨损加快，且电机负荷增大。
2.4泵轴的挠度
节段式多级泵的轴较长，由转子自重引起的静挠度较大，加上残余不平衡质量的离心力、惯性力引起的动挠度，使水泵轴在旋转时，轴或轴套与导叶套摩擦，叶轮与口环摩擦，同时使平衡盘倾斜，与平衡环干摩擦，导致泵振动，平衡装置磨损。
3.提高平衡机构（平衡鼓/盘）使用寿命的措施
3.1选用耐磨材料。采用铬钢或不锈钢堆焊巴氏合金制造平衡环或平衡盘，耐磨性较好。
3.2适当提高平衡盘的灵敏度。泵在运行中，平衡经常发生研磨，则是其灵敏度低或平衡力小于轴向力，这时可以适当改变主要几何参数，以增大平衡力或灵敏度。
3.3加强运行和维修管理。应经常检查联轴器间隙和平衡盘的磨损情况，磨损超限的平衡盘要及时处理。
4.针对唐山中浩锅炉给水泵平衡鼓磨损问题的解决措施
4.1现状描述
泵型号HMC50×9，介质锅炉水，温度110度，平衡机构采用平衡鼓结构，材质采用HT250，现场运转发生平衡鼓磨损现象。
4.2主要原因
其一，平衡鼓选用材质不耐磨，其二，平衡机构未能有效的平衡轴向力。
4.3解决措施
将平衡鼓材质更换为铬钢30Cr13，平衡鼓套材质更换为1Cr13MoS，重新核算平衡鼓直径，将平衡鼓直径增大10mm。
4.4验证
经泵厂试验台及客户现场运转验证，运转3个月未发生平衡鼓磨损的现象。
5.结论
综上所述，合理的选择平衡机构，科学的计算平衡机构的几何参数，选用耐磨的材质，以保证泵组的稳定平稳运转。
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论文作者:李亚东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/5
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