淺談立式泵軸向力

【摘??要】從立式泵軸向力的產生和組成入手，闡述軸向力的影響因素及主要平衡裝置的應用。

【關鍵詞】立式泵;軸向力;平衡

引言

泵運轉中，轉子上作用軸向力，該力將拉動轉子作軸向移動，使水泵不能安全、可靠地長期運行，可導致水泵嚴重損壞。因此，軸向力的有效平衡是水泵設計過程中必須考慮的主要問題之一。對于大型立式泵而言，其軸向力的產生和組成有其特殊性，其平衡方法也不同于臥式泵，下面將詳細闡述。

一?立式泵軸向力的產生與組成

立式泵的軸向力主要由以下分力組成：

1、在葉輪的吸入口處，后蓋板的前側面受到吸入壓力作用，其后側面受高壓作用。此外，由于兩側密封泄漏不相等的影響，葉輪兩蓋板上的液體壓力分布情況也不相同。因此，液體作用于葉輪上的力是不平衡的，產生了作用于葉輪上的軸向力F1，此力與軸向平行，由后蓋板指向葉輪進口。

2、液體流入葉輪進口及從葉輪出口流出的速度大小及方向均不相同。因此，在作用著一個動反力F2，此力也是軸向的，但與F1相反。

3、對于立式泵，轉子的重量也是軸向力的一部分，方向與F1相同，這里標記為F3。

4、其他因素，如軸臺、軸端等因素引起的軸向力，葉片工作面和背面壓力不同所產生的軸向力等，對于立式泵（尤其是單級立式離心泵、混流泵），這些因素在設計計算時可忽略。

立式泵運行所產生的總軸向力F=F1-F2+F3。

F1的大小與泵出口勢揚程HP雖然不成正比，但是隨著HP的增大而增大，并且F1也與葉輪的進、出直徑及輪轂直徑有關。

F2的大小則與泵理論流量Qt成正比，對于離心泵而言，F2的大小同時與葉片進口稍前的軸面速度Vm0成正比;而對于斜流泵，F2的大小則與泵進口稍前的軸面速度Vm0和葉片出口稍后軸面速度Vm3的軸線方向分量差成正比。

立式泵總軸向力F，從泵的運行曲線來看，一般從關死點到額定流量點運行區間，揚程較高而流量相對較小，根據上述F1、F2大小的定性分析可知，即F1較大而F2較小，這樣根據F=F1-F2+F3這個公式，此時總軸向力F的方向與F1方向一致，指向葉輪進口，對立式泵而言即為由上方指向下方。當泵在關死點運行時，其揚程最高，流量為零，所產生的軸向力也最大。

當泵從額定流量向大流量點運行時，則揚程較低而流量相對較大，即F1較小而F2較大，當F1-F2+F3﹤0時，則表明總軸向力F的方向發生了變化，與F2一致，指向葉輪背面，對立式泵而言即為由下方指向上方。因此，在設計過程中必須考慮，立式泵運行到大流量時軸向力方向是有可能發生變化的，泵組用于平衡軸向力的裝置（如推力軸承）必須能承受雙向的軸向力。

圖-1?典型立式泵結構圖

二、立式泵軸向力的平衡

1、密封環和平衡孔的設計

在葉輪的前后蓋板上（對于半開式葉輪則僅在后蓋板上），裝置兩個直徑大小一致的密封環，并使后泵腔的B腔與葉輪吸入口或泵吸入室相連通，已達到平衡軸向力的目的。

在靠近葉輪輪轂的后蓋板上開有連通葉輪吸入口和B腔的平衡孔，則這種方法稱為平衡孔法，這些孔稱為平衡孔。由于液體流經密封環間隙的阻力損失，使密封下部的液體的壓力下降，從而減小作用在后蓋板上的軸向力。減小軸向力的程度取決于孔的數量和孔徑的大小。平衡孔的個數與葉輪葉片數一致，在葉片之間均布。所有平衡孔斷面的總面積不應小于密封環間隙斷面面積的5?～6倍，從和鑄造工藝和機械加工的角度來考慮，其倍數值可放寬為4?～7倍。

對于立式泵而言，密封環和平衡孔是一種十分必要的平衡軸向力的輔助措施，在一般立式斜流泵及離心泵葉輪上都設有密封環和平衡孔。

2、背葉片

背葉片是加在葉輪后蓋板的外側，即相當于在主葉輪的背面加一個吸入方向相反

的附加半葉輪。背葉片強迫液體旋轉，液體的旋轉角速度增加，這樣后側的壓力水頭就會降低，從而作用在后蓋板的軸向力也降低。

裝背葉片泵的揚程大約提高1%?～2%，泵效率大約下降2%?～3%。為了便于鑄造，背葉片一般都做成徑向的。

3、推力軸承

對于立式泵而言，密封環和平衡孔以及背葉片的應用不能完全平衡軸向力。因此，任何形式的立式泵都必須設置推力軸承來完全平衡軸向力。推力軸承有如下特點：

（1）結構上，推力軸承一般布置在立式泵的頂端，不會對泵體內的液流產生影響，不會帶來附加的容積損失和水力損失;

（2）推力軸承裝置穩定可靠，可平衡兩個方向的軸向力;

（3）推力軸承裝置較為復雜，須有潤滑油進行潤滑，在泵運行過程中必須嚴密監測其振動和溫升。

在立式泵推力軸承裝置的設計過程中須注意以下問題：

（1）推力軸承的選用首要依據是在額定工況下推力軸承的使用壽命，按照國家標準要求一般為25000h，推力軸承的計算壽命必須大于25000h才能選用;

（2）選取的推力軸承額定轉速N0必須大于泵運行轉速N，否則會導致軸承溫升過高，損壞軸承;

（3）選取推力軸承時，必須計算軸承的理論溫升，按照國家標準要求軸承最高溫度不過超過75℃（當推力軸承設置在電動機上時則為80℃），一般考慮環境溫度為40℃，則軸承的理論溫升不得超過35℃;

（4）應用于大口徑立式泵推力軸承在油潤滑情況下，必須有外接水對潤滑油進行強制冷卻。

對于立式泵的推力軸承裝置，主要分為泵承受軸向力和電動機承受軸向力兩種情況：

（1）泵承受軸向力，主要應用于泵口徑較?。ㄒ话阒?000mm口徑以下），軸向力也相應較小的情況，推力軸承一般選取滾動軸承，具體還可以細分為泵轉子軸徑100mm以下時可以選取7系列的角接觸軸承，軸徑100mm以上的可以選取29系列的可調心軸承;軸承體布置在泵體上，軸向力由軸承轉遞至泵體，最終傳遞至泵基礎之上;

（2）電動機承受軸向力，主要應用于泵口徑較大（一般指1000mm口徑以上），軸向力也相應較大的情況，推力軸承一般選取滑動軸承，軸承體布置在電動機頂端，軸向力由軸承傳遞至電動機殼體及相連接的電動機支架，最終傳遞至泵基礎之上。

結論

在立式泵的設計過程中，通過對軸向力的分析和計算，合理設計密封環和平衡孔，并選取合適的推力軸承，立式泵軸向力的平衡可以達到理想的效果。

參考文獻：

[1]關醒凡?.現代泵技術手冊?.宇航出版社，1995

[2]沈陽水泵研究所，中國農業機械化研究院?.葉片泵設計手冊?.機械工業出版社，1983

作者簡介：

鄭凱凱，1987-01（出生年月），性別男，籍貫（山東省泰安市），學歷本科，職稱助理工程師，單位（上海，必維質量技術（上海）有限公司，包含具體省市信息），單位郵編200011，研究方向（機械設備生產工藝與檢驗主要從事工作）。

（作者單位：必維質量技術服務（上海）有限公司）