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離心泵軸向推力及其平衡
作者:離心泵 來源:軸 發布時間:2023-06-13
    泵在運轉中,轉子上作用著軸向力,該力將拉動轉子軸向移動。因此,必須設法消除或平衡此軸向力,方能使泵正常工作。泵轉子上作用的軸向力,由下列各分力組成:
1)葉輪前、后蓋板不對稱產生的軸向力,此力指向葉輪吸入口方向;
2)軸臺、軸端等結構因素引起的軸向力,其方向視具體情況而定;
3)轉子重量引起的軸向力(如立式泵),與轉子的布置方式有關;
4)影響軸向力的其它因素;
5)動反力,此力指向葉輪后面。
          
對于單級離心泵,作用在轉子上的軸向推力包括:
1)葉輪軸向力(F1):是吐出側葉輪蓋板(Fd)和吸入側葉輪蓋板(Fs)上的軸向壓力之差,即
F1 = Fd-Fs
2)動量(FJ):是一種持續作用于特定空間中流體的力(可參見流體力學中的動量守恒原理),其計算如下:
FJ = ρ·Q·ΔVax
式中,
ρ為泵送介質的密度
Q為泵送流量
ΔVax為葉輪進口和出口處絕對速度軸向分量之間的差值
3)在軸封處軸的橫截面Ass上由軸封上游和下游的靜壓產生的合成壓力,即
FWd = AWd·ΔpWd
4)特殊的軸向力,例如,在泵啟動過程中,葉輪和殼體之間的間隙(側隙)中的渦流條件發生變化時產生的軸向力。
5)其它的軸向力,例如非臥式離心泵上的轉子重量(FW)或電動機中的磁拉力(Fmech)等。
對于非水力平衡的閉式葉輪的軸向推力構成:
式中,
α為軸向推力系數(基于經驗)
ρ為泵送介質密度
g為引力常數(重力加速度)
H為揚程
D2m為平均葉輪直徑,
軸向推力系數基本上取決于比轉速。對于徑向和混流葉輪,以下計算公式適用于6 rpm < ns < 130 rpm的范圍:
α=0.5 ×(Dsp/D2m)3 + 0.09 ≈ 0.1 ~ 0.3
式中,Dsp為吸入側葉輪蓋板處受控間隙的直徑。
軸向推力平衡的多種形式
1)機械平衡:通過推力軸承(如滾動軸承、可傾瓦軸承)完全吸收軸向推力。
2)基于設計:葉輪背對背布置,并通過推力軸承吸收剩余軸向推力。
3)通過平衡孔平衡或減少單只葉輪上的軸向推力。
4)通過具有自動平衡功能的平衡裝置(例如平衡盤)平衡整個旋轉組件,或通過平衡鼓和雙平衡鼓進行部分平衡。
5)通過背葉片減少單個葉輪上的軸向推力。
機械軸向推力平衡
滾動軸承吸收軸向推力是有效、經濟的解決方案。然而,如果沒有特殊的平衡設備,則需要使用特別復雜的推力軸承,這樣的話在效率和成本方面的好處可能會被抵消。
基于設計的軸向推力平衡
例如,對于具有4級葉輪的管道泵,具有兩組背靠背布置的葉輪(每組兩只串聯)來平衡軸向推力。如果系統條件導致兩級出現汽蝕,則每組的大軸向推力可能是正常軸向推力的兩倍。
然而,如果選擇更復雜的(葉輪進出口)平行連接的背靠背葉輪布置,則每級僅產生正常的軸向推力。

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