第二章 多级离心泵的轴向力分析

2.1 轴向力的产生

多级离心泵在电力、石油化工等行业被广泛应用。轴向力平衡装置的选取是泵组设计的关键问题，检查平衡装置是否需要更换或优化也是多级离心泵维修中的一项重要工作。泵组运转过程中，若平衡装置不能中和泵组产生的轴向力， 则会造成泵动静部件摩擦而降低效率，严重时泵转子与各静部件咬死而导致泵损坏。多级离心泵为多级分段式，其吸入口位于进水段上，成水平方向，吐出口在水段上垂直向上，其扬程可根据使用需要而增减水泵级数。水泵装配良好与否，对性能影响关系很大，尤其是各个叶轮的口出与导翼的进出中心，其中稍有偏差即将使水泵的流量减少，扬程降低效率差，故在检修装配时务必注意。

多级离心泵主要零件有:进水段、中段、出水段、叶轮、导翼挡板、出水段导翼、轴、密封环、平衡环、轴套、尾盖及轴承体。进水段、中段、导叶挡板、出水段导翼、出水段及尾盖均为铸铁制成，共同形成泵的工作室。叶轮为优质铸铁制成，内有叶片，液体沿轴向单侧进入，由于叶轮前后受压不等，必然存在轴向力，此轴向力由平衡盘来承担，叶轮制造时经静平衡试验。轴为优质炭素钢制成，中间装有叶轮，用键、轴套及轴套螺母固定在轴上。轴的一端装联轴器部件，与电机直接连接。密封环为铸铁制成，防止水泵高压水漏回进水部分，分别固定在进水段与中段之上，为易损件，磨损后可用备件更换。平衡环为铸铁制成，固定在出水段上，它与平衡共同组成平衡装置。平衡盘为耐磨铸铁制成，装在轴上，位于出水段与尾盖之间，平衡轴向力。轴套为铸铁制成，位于填料室处，作固定叶轮和保护泵轴入用，为易损件，磨损后可用备件更换。轴承是单列向心球轴承，采用钙基润滑脂润滑。填料起密封作用，防止空气进入和大量液体漏出，填料密封由进水段和尾盖上的填料室，填料压盖，填料环及填料等组成，少量高压水流入填料室中起水封作用。填料的松紧程度必须适当，不可太紧亦不可太松，以液体能一滴一滴的渗出为准。如果填料太紧，轴套容易发热，同时耗费功率。填料太松，由于液体流失要降低水泵的效率。

多级离心泵轴向力的产生包括以下几种：因作用在各叶轮吸入端(驱动端）和吐出端（自由端）的压力不相等，从而产生指向泵驱动端的轴向力；液体从吸入口到排出口改变方向时作用在叶片上的力,指向叶轮背面，称为动反力；由于泵内叶轮进口压力与外部大气压不同，在轴端和轴台阶上产生的轴向力, 立式泵转子重量引起的向下的轴向力，其他轴向力。

2.2 多级泵轴向力的平衡装置

泵在运行过程中，受转子的轴向力的影响，将驱动转子轴向运动。所以，要想办法抵消或平衡轴向力，保障泵的正常运转。轴向力是决定多级泵可靠性的关键因素，轴向力如果无法得到很好的平衡，会造成多级泵的损坏，严重影响泵的使用寿命。传统的平衡装置经过多年的发展已经成熟，专家学者也不断改进其结构来获得更好的效果。近年来，一些专家也设计出了很多新型的平衡装置，来适应各种不同的应用场合。一些新型的平衡装置不仅能满足特定的要求，还能起到提高泵的效率的作用，减少或避免传统平衡装置因为泄露产生的效率损失[10]。

总轴向力会使转子轴向窜动，造成泵动静部件摩擦，平衡装置的两端有一个压力差，其中的液体形成一个与总轴向力方向相反的平衡力，平衡力大小随平衡盘的移动而变化，直到与轴向力抵消，但由于惯性的作用转子不会立即停止窜动，而是在平衡位置左右窜动且幅度不断减小，最终停留在平衡位置，故随着运行工况的变化，泵转子始终处于动态平衡状态。平衡装置的设计为多级离心泵设计中的重点，包括叶轮对称布置（适用于偶数级泵）与平衡盘(鼓)法两大类,平衡盘（鼓)法又包括平衡鼓、平衡盘、平衡盘鼓、双平衡鼓形式,随着结构的逐渐复杂，平衡效。平衡盘（鼓）法多与推力轴承配合使用，在设计平衡盘（鼓）时，一般不考虑推力轴承平衡的轴向力,保证泵在推力轴承损坏的情况下，平衡盘（鼓)仍能正常。

2.2.1轮对称布置法

叶轮级数为偶数时可采用叶轮对称布置法平衡轴向力，设计上要注意反向叶轮入口前的密封节流衬套尺寸要与叶轮轮毂尺寸一致。此方法多用于蜗壳式多级泵用于节段式泵时会增加级间泄露。这种结构一般用在流道式多级泵、双筒节段式多级泵中。这种平衡轴向力的效果最好，只有在叶轮个数为奇数情况下，最多有一级叶轮产生的轴向力无法平衡。当使用这种形式平衡轴多级离心泵的优化设计及轴向力研究轴向力时，通常会使泵的结构变的复杂，而且还需要一定的条件才能使用。对于节段式多级泵，叶轮对称布置会增加级间的泄露量，影响泵的整体效率。

根据使用条件，可配用油润滑或脂润滑轴承部件，能更好地满足用户的要求。加油和排油孔的布置合理，使轴承保持良好的润滑状态。轴承体配备有我公司专利通气塞，轴承室通风散热效果好，而外界杂质则不易进入轴承体。自平衡多级泵轴承部件温升低，寿命长。

2.2.2 平衡鼓法

英国 WEIR 公司确定平衡鼓直径为首级叶轮密封环直径的 93%。平衡鼓法承受平衡力过大，在大流量工况下容易引起轴向力反向， 引起转子振动。衡鼓为圆柱体，在泵工作时它可以和叶轮一起旋转。平衡鼓的外圆柱面与泵体之间有间隙。在平衡鼓前方是泵的后腔，背后是平衡室。这样在平衡鼓前后压差的作用下，使得整个转子产生力，方向与盖板力相反，该力用来平衡转子上的轴向力[11]。这种平衡方法一般用于扬程较低的多级泵中，对于高扬程泵，如果轴向力计算不准确或平衡鼓设计不当，对泵的运转存在很大的危险性。

2.2.3 平衡盘法

平衡盘结构法如图3.1，多级泵分段式离心泵，这种方法是在不同工况下可自平衡轴向力，结构上的优点：除了轴套与泵体之间有一个径向间隙b。平衡盘端面与泵体之间有一个轴向间隙b0。

平衡盘的后面食欲泵吸入口想通的平衡室，液体压力为比吸入口压力稍大的p0。径向间隙前的液体压力是魔级叶轮背面的压力p，液体流过径向间隙后压力将为p1。平衡盘的灵敏度越高，平衡盘的径向尺寸越大，通常取k=0.3-0.5，泄漏量一般为额定流量的4-10%，但高扬程小流量泵可能高达20%。

对于目前使用的多级泵平衡盘装置都是经过了多年的生产验证的，因此平衡盘的设计方面是不存在问题的，如果平衡盘装置发生故障，就需要我们从其他方面寻找原因了。

2.2.4 平衡盘鼓法

平衡盘鼓联合装置与平衡盘的区别是：平衡盘鼓的节流轴套部分尺寸比轮毂尺寸大，而平衡盘节流轴套部分与轮毂同尺寸。平衡盘鼓结构与各部分承担轴向力， 通常由平衡鼓平衡总轴向力的 50-80%，最大可到 90%， 增加平衡鼓的平衡力， 有利于减小平衡盘的尺寸和增加轴向间隙，减少平衡盘的磨损。通常平衡盘外半径 RW=(1.2-1.4）Rn，平衡盘轴向间隙长度b0=（0.2-0.4）Rn。

2.2.5 双平衡鼓法

双平衡鼓实质上就是在平衡盘鼓联合装置基础上，在平衡盘外径上增加一道径向间隙，使平衡盘起到部分平衡鼓的作用，这样可以使轴向间隙进一步加大，进而减少平衡盘的磨损和降低轴向间隙对装配的要求,同时也增加了阻力损失，减少平衡水的泄露量。双平衡鼓结构与各部分承担轴向力，一般由平衡鼓平衡（小鼓）50%-70%的轴向力,平衡盘（大鼓） 平衡剩余的轴向力。一般选小鼓的径向间隙长度120-160mm，大鼓的径向间隙长度40-80mm，大鼓的轴向间隙0.15-0.25mm，轴向间隙大，平衡盘不易产生摩擦，但平衡室压力下降，会减少大鼓的平衡力。

2.2.6 平衡盘和平衡鼓联合结构

所谓平衡盘和平衡鼓联合结构是指增大径向间隙的所在直径。这种结构可以减小平衡盘径向尺寸，减少平衡装置的磨损，工作可靠性高，但因径向间隙泄漏面积增加，泄漏量会随之增加。

总之，平衡装置的设计是多级泵设计中的关键问题之一，选择合适的平

衡装置对泵组平稳运行、节省维护费用意义重大[7]。