葉輪背葉片對高壓離心風機性能影響的研究

馬強，尹成效

（上海沃克通用設備有限公司，上海 201414）

隨著環保行業的快速發展，市場對單級高壓離心風機的需求明顯增加。尤其在電子芯片行業，高潔凈度要求使得過濾器數量增加，對高壓離心風機的壓力要求超過29000Pa。我公司在研發該單級單吸高壓離心風機的過程中發現，葉輪選擇產生的軸向力對軸承的溫升和壽命有很大影響。但國內外研究離心風機葉輪軸向力及其平衡措施的文獻極少，本研究借鑒離心泵葉輪軸向力研究方法和背葉片研究方法為基礎，開展離心風機葉輪軸向力和背葉片研究。從而較為準確地評估其軸向力，并利用背葉片相關技術解決離心風機葉輪的軸向力平衡問題。

1 離心風機軸向推力產生的原因

離心風機在運轉時，由于離心葉輪不對稱，在葉輪前盤吸入口形成低壓，在葉輪背部形成高壓，由于葉輪前后的氣壓不同，會在葉輪的前盤和后盤之間形成壓差，作用于前盤與后盤上的壓力不能互相平衡，于是產生從后盤指向進風口的軸向力。該軸向力與進風口面積和進風口壓力成正比。工程中為了簡便而快速的計算軸向力，通常軸向力計算公式為Fa=P×S。

式中，Fa為軸向力，N；P為風機吸入側壓力，Pa；S為進風口面積，㎡。

2 軸向力對軸承壽命的影響

在高壓風機設計和實驗過程中發現，軸向力對軸承的溫升和壽命影響非常大，成為高壓風機能否安全可靠運行的關鍵性因素。工程中，很多項目已經采用背葉片來部分平衡軸向力，以降低固定端軸承承受的軸向載荷，從而提高軸承壽命，降低軸承的運行溫度。背葉片結構簡單，成本低，在流體機械中有著廣泛的應用。但在高壓風機設計領域，由于現在數學方法、流體力學和實驗技術發展的不足，加上流體機械內流動的復雜性，軸向力至今仍然是“難計算，難測量”，還處于估測估算階段。這嚴重影響了利用背葉片平衡軸向力計算分析的準確性，同時制約了背葉片結構設計水平的發展。目前，國內外技術人員在設計背葉片結構時，還是依據經驗來選定尺寸參數。

在設計高壓離心風機時，由于無法準確計算出背葉片的寬度，所以設計人員一般先計算無背葉片時，葉輪產生的軸向力，并根據軸承計算公式，將其等效計算為當量動載荷，進而計算軸承的理論使用壽命。然后，根據上述方法再次計算軸向力為0時的軸承理論使用壽命，最后根據以往工程項目經驗估算背葉片寬度再進行校核。

這種設計方法是目前較常用的一種方法。例如，在武漢某顯示科技有限公司項目中設計一批單級單吸懸臂高壓離心風機，靜壓達到29000Pa，轉速2980RPM，葉輪及主軸總重量188kg，軸承采用SKF公司制造的22220EK型號，葉輪進風口直徑380mm，入口處負壓-14500Pa，出口處正壓14500Pa。需要驗證軸向力對軸承的影響范圍。軸承型號及參數見表1。

表1 離心風機軸承參數

第一種情況，葉輪無無背葉片，軸承壽命計算如下。

軸向力Fa=3.14159×0.38×0.38/4×14500=1644N=1.644kN

徑向力Fr=188×9.8/1000=1.842kN

當量動載荷P=0.67×Fr+Y2×Fa=0.67×1.842+4.2×1.6 44=8.139kN。

軸承的壽命Lnmh=106×(C/P)3.3333/60/2980=106×(425/8.1 39)3.3333/60/2980=2976405小時。

第二種情況，設計時增加背葉片，假設背葉片正好平衡軸向力，軸承壽命計算如下。

軸向力Fa=0KN

徑向力Fr=188×9.8/1000=1.842kN

當量動載荷P=Fr+Y1×Fa=1.842+0=1.842kN

軸 承 的 壽 命Lnmh=106×(C/P)3.3333/60/2980=106×(425/1.842)3.3333/60/2980=421337550小時。

從表2軸承壽命對比表發現，如果設計出正好平衡軸向力的背葉片，軸承壽命可從297萬小時提高到42133萬小時，提升141.86倍。對于單吸高壓風機，背葉片的研究非常重要且有重要意義。

表2 有無背葉片時軸承壽命對比表

3 離心風機背葉片試驗結果與分析

背葉片的主要作用是平衡軸向力，但由于流體機械的軸向力計算一直是個難題，用現有的理論計算的軸向力與試驗結果相差很大，這是有多種原因引起的，如流道的加工誤差、流體的邊界條件設置、設備內泄漏等。很多研究表明，即使采用ANSYS－Fluent 軟件進行數值計算，有時也不能取得較為精確的數據，甚至與實際值相比，誤差會超過15%。為了取得較真實準確的數據，本研究借用武漢某項目中一臺29000Pa高壓風機作為研究對象，在葉輪后盤背側焊接寬度b為10mm、15mm、20mm、25mm的4個呈十字型分布的徑向背葉片進行實驗。本研究根據《離心泵軸向力測試方法的研究》一文中介紹的“直接測量法”進行測量。直接法測量軸向力的主要特點是將待測的軸向力與其他力學量（如彈簧拉力、砝碼重力或液壓力等）相平衡，再使用測力裝置測試該平衡力，從而得到直觀的軸向力數值。該方法簡單準確，測試結果如表3所示。

從表3可以得出結論，不斷增加背葉片寬度b，會使得軸向力減小，方向從葉輪進風口指向葉輪背板。當背葉片寬度b=20mm時，此時，葉輪軸向力和背葉片產生的反軸向力接近平衡。當背葉片繼續加寬，此時，反軸向力大于軸向力，合力方向由葉輪后盤指向葉輪進風口。當軸向力和反軸向力平衡時，軸承只承受徑向力，幾乎不承受軸向力，此時，軸承運行狀態最佳，滾動摩擦力矩和滑動摩擦力矩最小，因此軸承發熱最少，軸承運行溫度最低，軸承壽命最長。

表3 軸向力測量結果

為了同時研究背葉片對風機風量、靜壓、軸功率、靜壓效率的影響，本研究對不同背葉片的葉輪進行了性能實驗，實驗數據見圖1。從中可以看出，隨著背葉片寬度的增加，風機的靜壓逐漸上升，最高點從29.8kPa上升到31.3kPa，上升了5.03%。軸功率從412kW上升到445kW，軸功率上升了8%。按照圖4數據計算風機靜壓效率，靜壓效率則降低了2%。背葉片對風量幾乎沒有影響。

圖1 不同背葉片寬度b時風機性能曲線

4 結語

（1）單吸高壓風機運行時產生的軸向力非常大，對軸承壽命有極大影響。

（2）隨著背葉片寬度的增加，軸向力先減小后增加，臨界點軸向力為0，經過臨界點后軸向力逐漸增加，方向反向。

（3）通過合理設計背葉片寬度，可以平衡軸向力。

（4）軸向力為0時，軸承摩擦力矩最小，發熱最少，軸承運行溫度最低，軸承壽命最長。

（5）增加背葉片寬度，風機的靜壓增加，但軸功率也增加，靜壓效率下降。背葉片對風量幾乎沒有影響。

（6）本研究僅針對4片呈十字型分布的徑向背葉片進行了研究，其他背葉片形狀、數量、分布狀態對風機的影響還需進一步研究，不能簡單借用本研究結論。