离心泵轴向推力及其平衡
作者：离心泵 来源：轴 发布时间：2023-06-13
泵在运转中，转子上作用着轴向力，该力将拉动转子轴向移动。因此，必须设法消除或平衡此轴向力，方能使泵正常工作。泵转子上作用的轴向力，由下列各分力组成：
1）叶轮前、后盖板不对称产生的轴向力，此力指向叶轮吸入口方向；
2）轴台、轴端等结构因素引起的轴向力，其方向视具体情况而定；
3）转子重量引起的轴向力（如立式泵），与转子的布置方式有关；
4）影响轴向力的其它因素；
5）动反力，此力指向叶轮后面。
对于单级离心泵，作用在转子上的轴向推力包括：
1）叶轮轴向力（F1）：是吐出侧叶轮盖板（Fd）和吸入侧叶轮盖板（Fs）上的轴向压力之差，即
F1 = Fd-Fs
2）动量（FJ）：是一种持续作用于特定空间中流体的力（可参见流体力学中的动量守恒原理），其计算如下：
FJ = ρ·Q·ΔVax
式中，
ρ为泵送介质的密度
Q为泵送流量
ΔVax为叶轮进口和出口处绝对速度轴向分量之间的差值
3）在轴封处轴的横截面Ass上由轴封上游和下游的静压产生的合成压力，即
FWd = AWd·ΔpWd
4）特殊的轴向力，例如，在泵启动过程中，叶轮和壳体之间的间隙（侧隙）中的涡流条件发生变化时产生的轴向力。
5）其它的轴向力，例如非卧式离心泵上的转子重量（FW）或电动机中的磁拉力（Fmech）等。
对于非水力平衡的闭式叶轮的轴向推力构成：
式中，
α为轴向推力系数（基于经验）
ρ为泵送介质密度
g为引力常数（重力加速度）
H为扬程
D2m为平均叶轮直径，
轴向推力系数基本上取决于比转速。对于径向和混流叶轮，以下计算公式适用于6 rpm < ns < 130 rpm的范围：
α=0.5 ×(Dsp/D2m)3 + 0.09 ≈ 0.1 ～ 0.3
式中，Dsp为吸入侧叶轮盖板处受控间隙的直径。
轴向推力平衡的多种形式
1）机械平衡：通过推力轴承（如滚动轴承、可倾瓦轴承）完全吸收轴向推力。
2）基于设计：叶轮背对背布置，并通过推力轴承吸收剩余轴向推力。
3）通过平衡孔平衡或减少单只叶轮上的轴向推力。
4）通过具有自动平衡功能的平衡装置（例如平衡盘）平衡整个旋转组件，或通过平衡鼓和双平衡鼓进行部分平衡。
5）通过背叶片减少单个叶轮上的轴向推力。
机械轴向推力平衡
滚动轴承吸收轴向推力是有效、经济的解决方案。然而，如果没有特殊的平衡设备，则需要使用特别复杂的推力轴承，这样的话在效率和成本方面的好处可能会被抵消。
基于设计的轴向推力平衡
例如，对于具有4级叶轮的管道泵，具有两组背靠背布置的叶轮（每组两只串联）来平衡轴向推力。如果系统条件导致两级出现汽蚀，则每组的大轴向推力可能是正常轴向推力的两倍。
然而，如果选择更复杂的（叶轮进出口）平行连接的背靠背叶轮布置，则每级仅产生正常的轴向推力。
