河南心连心化肥有限公司 河南新乡 453700
摘要：在离心泵工作的过程中，转子会受到一个轴向推力，其和轴心线相互平行。如果该力得不到有效的控制，在其作用下转子可能会出现一种轴向窜动的情况，这时就会引发转动部件以及固定部件之间直接接触，当这种情况发生就会引发泵零部件非正常运行。对离心泵的轴向力产生和平衡方法作了详细的叙述，希望可以起到一定的作用。
关键词：离心泵；轴向力分析；平衡方法
前言：高速离心泵的轴向力平衡方法有平衡孔、平衡管、背叶片、平衡鼓及平衡盘等方式。背叶片通过降低叶轮盘侧流体压力，从而来减少叶轮盘侧的方向指向进口的轴向力，但会增加轴功，致使效率降低，不是高速泵轴向力平衡的首选方法。叶轮对称分布是多级高速泵较有效的轴向力平衡方法，但结构较复杂，因此也不是理想的轴向力平衡方法。在本文中对平衡方法进行了相关的探讨。
1.离心泵工作原理及基本性能
1.1工作原理
离心泵起到主要作用的是叶轮，液体能量主要是依靠叶轮旋转来获得的，其减速液体动能在蜗壳中被收集起来，将液体所具有的动能转变成压力能，而起到压送液体的作用。当离心泵内充满液体的情况下，叶轮旋转产生离心力，在离心力作用下叶道内部的液体借助于叶片的作用甩向外围流进泵壳，通过排出管排出；另外液体还会受到离心力的作用从中心高速向四周流动，于是叶轮的中心部位压力降低，形成真空状态，且低于大气压力；因此，液体在这个压力差的作用下，由吸液池进入泵内，使离心泵能连续不断地进而进行一系列液体的吸入和流出。
1.2离心泵基本性能
（1）离心泵的特点是具有大流量，而且相对稳定，但是需要注意的是可能会随着扬程发生变化。（2）扬程在这一原理中的主要作用就是决定了离心泵当中的叶轮外径，以及叶轮自身的转速大小。（3）扬程不仅仅与叶轮的外径与转速有关系，还与轴功率与流量之间存在一种对应关系。（4）离心泵的吸入高度通常比较小，在实际操作当中可能会出现汽蚀现象。（5）具有很高的转速，而且如果相对流量比较低，那么就会降低效率，如果相对流量比较高，效率也就会提高。
2.多级离心泵轴向力的产生及影响平衡的原因和计算方法
离心泵运行过程中，转子会产生与泵轴中心平行的轴向力。对于多级离心泵，其总轴向力为各级叶轮之和，所以级数越多，总轴上的轴向力就越大。（1）叶轮前后盖板表面压力分布不均匀产生的作用力，记为F1。离心泵运行初期，因泵体密封条件较好，泄漏量可以忽略。泵叶轮两侧的腔液按叶轮角速度有序旋转，压力分布变化可图示成抛物线状（f（x）=x 2 ）。同时叶轮密封环以上，叶轮前后盖板表面压力均匀，即叶轮外圆半径 r 2 到密封环半径 r 1 之间的流体作用在叶轮两侧的压力相同，方向相反，可以相互抵消。在这种理想状态下，轴向力可表示为公式如下图所示：
公式（1）中p1表示叶轮入口压力，p2 表示叶轮出口压力，p表示泵腔内任意半径的压力，r1叶轮扣环半径，r2叶轮外缘的半径，rh轴套半径，u表示叶轮任意半径处圆周率，u2表示叶轮出口圆周率。是叶轮流液的密度，H p =（p2 -p1）/（ρg）表示扬程。在这个过程中轴向力的具体方向为后盖板作用向前盖板。
3.轴向力的平衡方法
3.1采用止推轴承法
离心泵运行中比较常见的轴向力平衡方法有止推轴承法，这种方法借助了轴向支撑型式；另外转子本身会有一种轴向力，在这一过程中并不会发生抵消，导致这种轴向力作用到轴承上进而传递到泵体上。如果工作中的轴向力较大，那么就会缩短轴承寿命和引发泵体振动；所以在实际工作中比较常见的处理方法是将止推轴承应用在小型泵中，因小型泵产生的轴向力较小。
3.2选择开平衡孔的形式
开平衡孔的部位是叶轮轮盘上，而具体的位置是吸液口处，平衡孔可以开几个，这样做的目的是让轮盘前后的空间连通起来，能够达到一种均压的作用。除此之外还要在轮盘的外侧与吸液口相对的地方设计一个密封凸缘，将其与泵壳上面的密封环形成一种迷宫密封，这样就可以减少叶轮吸液口轮盘两侧之间的液流压力差，起到的最为明显的作用就是平衡轴向推力。平衡孔的面积要保持在一定的范围之内，防止出现过大的情况。
3.3平衡管
这里所说的平衡管的作用是平衡泵的轴向力，减少转子的轴向窜动，避免叶轮与外壳发生磨擦。这种方法的原理与开平衡孔的原理是一样的，在泵体上安装平衡管；当条件满足后，叶轮两侧的压力就会基本上保持在平衡状态之下，就可以减少压差和轴向力。
3.4安装平衡叶片
设计人员可以将平衡叶片设计在轮盘外面，具体工艺是在轮盘外面铸出几片盘条状的平衡叶片。工作原理是叶轮在转动的时候，通过平衡叶片将轮盘、壳体间的液体带动起来，近轴处在离心力作用下而形成低压，其产生的推力在叶轮背后与液流作用在叶轮前面推力相互平衡；因此设计的时候要充分考虑到平衡叶片的长度、高度和叶片数，除此之外还要结合泵壳间的间隙来完成设计。轴向力因为平衡叶片的作用基本上得到平衡，减少了对离心泵运行的影响，从而在很大程度上提高着离心泵的工作效率。
3.5叶轮对称布置
多级泵当中经常应用到叶轮对称布置的方法，泵的所有叶轮通常都是被均分成为两侧对称方向来完成布置的。布置叶轮原则上要保持级间过渡的简单性，这样可以利于铸造进而减少阻力的损失。另外要确保两端轴封侧设计低压级，以达到减少轴封所受压力的目的；此外还要在设计的时候重视级差的控制，减少级间泄漏情况的发生。
3.6采用平衡盘与平衡鼓联合装置
平衡盘与平衡鼓联合装置法是平衡轴向力的重要方法之一，轴向力 50%~80% 可通过平衡鼓平衡掉，最后由平衡盘将剩下的轴向力平衡掉（如图1）。从图中可以看出，如果径向间隙宽度b1是相同的，那么就可以得到一个比较大的间隙b2，然而平衡盘 在一定程度上被保护着而不发生磨损，能得到正常平稳的工作。离心泵工作时在轴向力作用下可能会破坏平衡结构，为避免这一情况的发生需要在离心泵上面设计安装止推轴承，借助止推轴承的作用减小联合机构负荷。平衡盘与平衡鼓联合装置在减少离心泵的磨损和延长使用寿命起着重要作用，是多级离心泵解决轴向力的常用方法，但其缺点是会增加轴向长度，结构相对复杂，并且各方面技术要求高，给设计、加工、装配带来一定难度。
图 1 平衡盘与平衡鼓联合装置
结语：离心泵与其它种类的泵相比，不但构造简单、能直接与电动机相连、不受转速限制、不易磨损，并且具有运行平稳、噪声小、出水均匀、调节方便、效率高、运行可靠和维修方便等优点。在叶轮泵产品中，离心泵的使用量最大、使用范围也最广。因此，离心泵在各行各业中得到了广泛应用。
参考文献：
[1]王本永. 液体静压支承技术在多级离心泵轴向力平衡中的应用研究[D]. 辽宁工程技术大学， 2002.
[2]赵继宝， 王本永. 平衡多级泵轴向力的液体静压支承的结构尺寸设计[J]. 煤炭技术， 2003， 22（5）：5-6.
[3]李从保.离心泵常见故障及判断处理[J].科技传播，2014，01：185+163.
[4]万邦烈，李继志.石油工程流体机械[M].北京石油工业出版社，1999：184-186.
[5]张麦秋.化工机械制造安装修理[M].北京：化学工业出版社，2001.3
论文作者:曹昆朋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/28
标签：叶轮论文; 离心泵论文; 轴向论文; 叶片论文; 压力论文; 液体论文; 方法论文; 《基层建设》2017年第33期论文;