立式多級泵軸向力平衡的研究

李曉軍

（上海中韓杜科泵業(yè)制造有限公司，上海 201715）

現(xiàn)階段隨著二次供水設備的蓬勃發(fā)展，二次供水系統(tǒng)中輕型立式多級不銹鋼沖壓泵的使用也越來越多，立式多級沖壓泵結構緊湊，整泵重量輕，由于葉輪葉片蓋板，導葉葉片導葉體都采用不銹鋼材質制作，大大降低了對水質污染；立式多級沖壓泵的應用市場也越來越廣，消防、暖通、輕化工等相關領域也多有應用案例。

通常情況下立式多級離心泵運行時由于葉輪進出水前后有壓力差的作用，使得水泵泵軸和整個轉子部件上產(chǎn)生向進水向下的軸向力，傳統(tǒng)結構的立式多級沖壓式泵，因泵內(nèi)沒有設置平衡軸向力的裝置，主要軸向力由電機軸承承受，由于立式多級泵級數(shù)多、揚程高、軸向力較大，很容易造成電機軸承損壞，進一步使電機損傷，造成故障，因此大部分的電機都通過加大軸承的方式或結構改動來使得電機能夠承受水泵的軸向力作用，這樣使得不能夠使用標準電機，造成生產(chǎn)難度加大。根據(jù)立式多級泵實際使用情況，通過改進立式多級沖壓泵的結構和工藝，降低泵用電機的故障率，對立式多級沖壓泵的軸向力平衡進行研究。

1 立式多級離心泵的軸向力平衡分析

1.1 立式多級泵軸向力的產(chǎn)生機理

立式多級沖壓泵在運行過程中，由于葉輪進水口是低壓區(qū)，葉輪出水蓋板后是高壓區(qū)，前后存在壓力差，使多級泵泵軸轉子上產(chǎn)生一個很大的作用力，此作用力按多級沖壓泵結構從上往下。

立式多級沖壓泵液體從葉輪軸向進口進入葉輪內(nèi)部，沿著葉片從徑向流出，液體流動方向發(fā)生變化，是由于液體收到葉輪作用力的結果，同時液流會給葉輪一個大小相等，方向相反的反作用力稱為動反力，方向從葉輪進口指向葉輪后面，按照動量定理可知。

立式多級泵轉子總成自重產(chǎn)生的重力，及轉動部件本身重量所引起的軸向力。

1.2 傳統(tǒng)立式多級泵的結構

傳統(tǒng)的立式多級沖壓泵結構如圖1 所示，傳統(tǒng)的立式多級沖壓泵的軸向力主要通過電機的軸承承受，由于多級泵級數(shù)越多，揚程越高，軸向力也越大，很容易使軸承損壞，從而使電機損壞甚至報廢，造成損失，且大部分電機需要加大軸承等方式來更改結構，這就給電機制作帶來很多不便。有些從水泵與電機連接支架中間加推力軸承等方式解決軸向力問題，給水泵裝配和維護帶來不便。

圖1

1.3 結構改造后立式多級沖壓泵軸向力分析

將改造后整個立式多級沖壓泵的結構如圖2 所示，在水泵轉子部件與進出水段下端設置一對平衡摩擦副，將泵導葉出水口的高壓水引向葉輪前端進水口低壓區(qū)的密封腔，給轉動部件向上的壓力，來平衡向下的軸向力，這樣整個轉子部件向上的作用力和向下的作用力達到平衡。此平衡摩擦副，不需要再定制加大電機軸承更改結構等。

圖2

平衡裝置的運行分析和具體的實施方式如下：

如附圖3、圖4 所示，為水泵平衡裝置結構的剖面放大圖和剖面右視圖，圖中將水泵泵體1 分為進口低壓區(qū)12 和泵出口高壓區(qū)7，水泵泵體1 上設置有支撐座9，水泵泵體1 上設置有回流孔8，該回流孔將高壓水引流至平衡摩擦副底部腔體5，支撐座9 上方設置有動、靜環(huán)摩擦副，動環(huán)摩擦副4 隨主軸旋轉，靜環(huán)摩擦副6 不隨主軸旋轉，靜環(huán)摩擦副6 與支撐座9 上設置的防轉定位塊存在一定的間隙，靜環(huán)摩擦副6 受壓后可沿著支撐座9 上設置的防轉定位塊向上浮動，動、靜環(huán)摩擦副接觸面制作成和機封動靜摩擦副一樣的光滑端面，動環(huán)摩擦副4由壓蓋3 壓住推力盤2 上裝在泵軸10 上，支撐座9 與靜環(huán)摩擦副6 和水泵泵體1 之間均設有O 型圈11 防止漏水。當水泵運行時因葉輪作用力形成的壓力差，使水泵轉動部件產(chǎn)生向下軸向力，此時水泵運行產(chǎn)生的高壓水流通過回流孔8 進入平衡摩擦副底部腔體5，由此高壓水作用力加在靜環(huán)摩擦副6 上使之向上運動，水泵運行時泵軸10 帶動動環(huán)摩擦副4 高速旋轉，動環(huán)摩擦副4 和靜環(huán)摩擦副之間形成極薄的液膜，同機封摩擦副原理相同，同時將向上的作用力傳遞給整個轉動部件，此力與向下軸向力大小相等方向相反，使水泵泵軸轉動總成部分達到受力均衡，因動、靜環(huán)摩擦副之間形成的極薄液膜阻止了液體的泄露，同時液體液膜也潤滑了摩擦副端面，獲得長期運行潤滑密封和平衡軸向力效果。采用此種動、靜環(huán)摩擦副的平衡型裝置，設計者可以有效的控制端面比壓，從而使摩擦損失減小，降低功率損耗，延長使用壽命，即使摩擦端面嚴重磨損，產(chǎn)生的軸向力仍然能夠得到很好的平衡，使得水泵因軸向力而產(chǎn)生的軸承發(fā)熱、損壞噪音等故障率大大下降，所以該平衡裝置十分可靠。

圖3

圖4

2 改造泵型軸向力及平衡裝置計算

2.1 軸向力的計算

XRL155 泵型，流量Q=155m3/h,轉速n=2980r/min

揚程H=189m，i=7 泵的單級揚程H1=189/7=27m

介質為常溫清水，ρ=1000kg/m3

葉輪直徑D2=168.5mm，葉輪進口直徑Dj=108.8mm，

葉輪密封環(huán)處直徑Dm=110.8mm

泵軸直徑d=28mm，輪轂直徑dh=35.4mm

泵的水力效率

立式泵轉子重量（包括液體重量）A3=323N

2.2 平衡摩擦副的計算

由設計結構可知，在設置平衡裝置時，將水泵的高壓水引入平衡裝置下方腔體，使得平衡靜摩擦副上升支撐整個轉子系統(tǒng)，形成一個給整個轉動總成向上的力，由此平衡掉轉子的軸向力，此力與軸向力大小相等方向相反。由此可以推導出平衡裝置的尺寸。

圖5

平衡裝置尺寸由此可確定平衡摩擦副外徑為80mm。

通過以上分析計算表明，在設計該平衡裝置時可較為準確計算出平衡裝置摩擦副的尺寸，在實際運用中為了使運行更加穩(wěn)定，使水泵泵軸承受些許拉伸力，平衡裝置外徑不宜取值過大，少許小于計算值可按計算外徑的0.9～0.95 取值，具體可按水泵參數(shù)范圍不同流量下進行演算得出。

端面壓力可由F=ρgHπ（R2p-R2內(nèi)）計算，摩擦副端面寬度可按3mm 左右取值，外徑確定后可按照機械密封資料進行設計。調(diào)整平衡腔體內(nèi)徑的尺寸可有效控制端面比壓減少摩擦副的磨損，降低摩擦損耗，設計時需注意合理取值。

3 結論

傳統(tǒng)結構的立式多級沖壓式泵，因泵內(nèi)沒有設置平衡軸向力的裝置，主要軸向力由電機軸承承受，由于立式多級泵級數(shù)多、揚程高、軸向力較大，很容易造成電機軸承損壞，進一步使電機損傷，造成故障，多數(shù)的電機都通過加大軸承的方式或結構改動來使得電機能夠承受水泵的軸向力作用，這樣使得不能夠使用標準電機，立式多級沖壓泵隨著級數(shù)增加功率的增大，這就需要每個電機基座號都得進行重新設計承受軸向力，造成生產(chǎn)難度加大。

本文通過對立式多級離心泵的軸向力研究分析，在水泵轉子部件與進出水段下端設置一對平衡摩擦副，將水泵出水口的高壓水流通過引流方式引流到水泵葉輪吸入端的低壓區(qū)，給低壓區(qū)密封摩擦副向上的作用力，同時將向上的作用力傳遞給整個轉動部件，使水泵內(nèi)部轉動部件上的軸向力達到平衡。

實踐證明，筆者公司研發(fā)的系列產(chǎn)品，XRL125、XRL155、XRL185 均采用了平衡摩擦副結構形式，各項性能指標均達到了同類進口泵的技術水平。同時運行可靠性方面優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，降低了客戶使用中頻繁更換電機軸承，解決了泵組的振動、軸承發(fā)熱損毀等問題，降低了客戶頻繁檢修所帶來的損失，同時標準電機在該系列泵型中得到使用降低了成本，進一步回饋客戶。

綜上所述，該平衡裝置平衡摩擦副的改造結構，打破了固有的傳統(tǒng)的結構模式，使多級沖壓水泵平衡問題得到了解決，電機結構得到解放，不局限于立式多級沖壓式離心泵，在其它泵型當中也可廣泛使用。