多級離心泵常見的軸向力平衡裝置

摘 要：軸向力平衡裝置的選取是多級離心泵設計中的關鍵問題，其目的是平衡軸向力，防止轉子的軸向竄動。文章分析了多級離心泵軸向力產生原因，并介紹了常用的平衡裝置。

關鍵詞：多級泵；軸向力；平衡裝置

引言

多級離心泵在電力、石油化工等行業被廣泛應用。軸向力平衡裝置的選取是泵組設計的關鍵問題，檢查平衡裝置是否需要更換或優化也是多級離心泵維修中的一項重要工作。泵組運轉過程中，若平衡裝置不能中和泵組產生的軸向力，則會造成泵動靜部件摩擦而降低效率，嚴重時泵轉子與各靜部件咬死而導致泵損壞。

1 軸向力的產生

多級離心泵運行過程中產生的軸向力包括以下幾種：因作用在各葉輪吸入端（驅動端）和吐出端（自由端）的壓力不相等，從而產生指向泵驅動端的軸向力；液體從吸入口到排出口改變方向時作用在葉片上的力，指向葉輪背面，稱為動反力；由于泵內葉輪進口壓力與外部大氣壓不同，在軸端和軸臺階上產生的軸向力；立式泵轉子重量引起的向下的軸向力；其他軸向力。

2 軸向力的平衡裝置

總軸向力會使轉子軸向竄動，造成泵動靜部件摩擦，而平衡裝置的兩端有一個壓力差，其中的液體形成一個與總軸向力方向相反的平衡力，平衡力大小隨平衡盤的移動而變化，直到與軸向力抵消，但由于慣性的作用轉子不會立即停止竄動，而是在平衡位置左右竄動且幅度不斷減小，最終停留在平衡位置，故隨著運行工況的變化，泵轉子始終處于動態平衡狀態。

平衡裝置的設計為多級離心泵設計中的重點，包括葉輪對稱布置（適用于偶數級泵）與平衡盤（鼓）法兩大類，平衡盤（鼓）法又包括平衡鼓、平衡盤、平衡盤鼓、雙平衡鼓形式，隨著結構的逐漸復雜，平衡效果也越好。

平衡盤（鼓）法多與推力軸承配合使用，推力軸承一般只承受5%～10%的軸向力，在設計平衡盤（鼓）時，一般不考慮推力軸承平衡的軸向力，保證泵在推力軸承損壞的情況下，平衡盤（鼓）仍能正常工作。

2.1 葉輪對稱布置法

葉輪級數為偶數時可采用葉輪對稱布置法平衡軸向力，設計上要注意反向葉輪入口前的密封節流襯套尺寸要與葉輪輪轂尺寸一致。此方法多用于蝸殼式多級泵，用于節段式泵時會增加級間泄露。

2.2 平衡鼓法

英國WEIR公司確定平衡鼓直徑為首級葉輪密封環直徑的93%。平衡鼓法承受平衡力過大，在大流量工況下容易引起軸向力反向，引起轉子振動。

2.3 平衡盤法

平衡盤結構與各部分承擔軸向力如圖1所示，平衡力一部分由徑向間隙直徑R0至平衡盤軸向間隙內半徑R1截面上產生，另一部分由平衡盤軸向間隙內半徑R1到外半徑R2截面上產生。平衡盤的靈敏度越高，平衡盤的徑向尺寸越大，通常取k=0.3～0.5，泄漏量一般為額定流量的4～10%，但高揚程小流量泵可能高達20%。

2.4 平衡盤鼓法

平衡盤鼓聯合裝置與平衡盤的區別是：平衡盤鼓的節流軸套部分尺寸比輪轂尺寸大，而平衡盤節流軸套部分與輪轂同尺寸。平衡盤鼓結構與各部分承擔軸向力如圖2所示，通常由平衡鼓平衡總軸向力的50～80%，最大可到90%，增加平衡鼓的平衡力，有利于減小平衡盤的尺寸和增加軸向間隙，減少平衡盤的磨損。通常平衡盤外半徑RW=（1.2～1.4）Rn，平衡盤軸向間隙長度b0=（0.2～0.4）Rn。

2.5 雙平衡鼓法

雙平衡鼓實質上就是在平衡盤鼓聯合裝置基礎上，在平衡盤外徑上增加一道徑向間隙，使平衡盤起到部分平衡鼓的作用，這樣可以使軸向間隙進一步加大，進而減少平衡盤的磨損和降低軸向間隙對裝配的要求，同時也增加了阻力損失，減少平衡水的泄露量。雙平衡鼓結構與各部分承擔軸向力如圖3所示，一般由平衡鼓（小鼓）平衡50%～70%的軸向力，平衡盤（大鼓）平衡剩余的軸向力。一般選小鼓的徑向間隙長度L1=120～160mm，大鼓的徑向間隙長度LW=40～80mm，大鼓的軸向間隙b0=0.15～0.25mm，軸向間隙大，平衡盤不易產生摩擦，但平衡室壓力下降，會減少大鼓的平衡力。

3 結束語

平衡裝置的設計是多級泵設計中的關鍵問題之一，選擇合適的平衡裝置對泵組平穩運行、節省維護費用意義重大。

作者簡介：王勝坤（1986，8-），男，北京，研究生學歷，助理工程師，研究方向：采購管理。