浅谈立式泵轴向力

【摘  要】从立式泵轴向力的产生和组成入手，阐述轴向力的影响因素及主要平衡装置的应用。

【关键词】立式泵;轴向力;平衡

引言

泵运转中，转子上作用轴向力，该力将拉动转子作轴向移动，使水泵不能安全、可靠地长期运行，可导致水泵严重损坏。因此，轴向力的有效平衡是水泵设计过程中必须考虑的主要问题之一。对于大型立式泵而言，其轴向力的产生和组成有其特殊性，其平衡方法也不同于卧式泵，下面将详细阐述。

一 立式泵轴向力的产生与组成

立式泵的轴向力主要由以下分力组成：

1、在叶轮的吸入口处，后盖板的前侧面受到吸入压力作用，其后侧面受高压作用。此外，由于两侧密封泄漏不相等的影响，叶轮两盖板上的液体压力分布情况也不相同。因此，液体作用于叶轮上的力是不平衡的，产生了作用于叶轮上的轴向力F1，此力与轴向平行，由后盖板指向叶轮进口。

2、液体流入叶轮进口及从叶轮出口流出的速度大小及方向均不相同。因此，在作用著一个动反力F2，此力也是轴向的，但与F1相反。

3、对于立式泵，转子的重量也是轴向力的一部分，方向与F1相同，这里标记为F3。

4、其他因素，如轴台、轴端等因素引起的轴向力，叶片工作面和背面压力不同所产生的轴向力等，对于立式泵（尤其是单级立式离心泵、混流泵），这些因素在设计计算时可忽略。

立式泵运行所产生的总轴向力F=F1-F2+F3。

F1的大小与泵出口势扬程HP虽然不成正比，但是随着HP的增大而增大，并且F1也与叶轮的进、出直径及轮毂直径有关。

F2的大小则与泵理论流量Qt成正比，对于离心泵而言，F2的大小同时与叶片进口稍前的轴面速度Vm0成正比;而对于斜流泵，F2的大小则与泵进口稍前的轴面速度Vm0和叶片出口稍后轴面速度Vm3的轴线方向分量差成正比。

立式泵总轴向力F，从泵的运行曲线来看，一般从关死点到额定流量点运行区间，扬程较高而流量相对较小，根据上述F1、F2大小的定性分析可知，即F1较大而F2较小，这样根据F=F1-F2+F3这个公式，此时总轴向力F的方向与F1方向一致，指向叶轮进口，对立式泵而言即为由上方指向下方。当泵在关死点运行时，其扬程最高，流量为零，所产生的轴向力也最大。

当泵从额定流量向大流量点运行时，则扬程较低而流量相对较大，即F1较小而F2较大，当F1-F2+F3﹤0时，则表明总轴向力F的方向发生了变化，与F2一致，指向叶轮背面，对立式泵而言即为由下方指向上方。因此，在设计过程中必须考虑，立式泵运行到大流量时轴向力方向是有可能发生变化的，泵组用于平衡轴向力的装置（如推力轴承）必须能承受双向的轴向力。

图-1 典型立式泵结构图

二、立式泵轴向力的平衡

1、密封环和平衡孔的设计

在叶轮的前后盖板上（对于半开式叶轮则仅在后盖板上），装置两个直径大小一致的密封环，并使后泵腔的B腔与叶轮吸入口或泵吸入室相连通，已达到平衡轴向力的目的。

在靠近叶轮轮毂的后盖板上开有连通叶轮吸入口和B腔的平衡孔，则这种方法称为平衡孔法，这些孔称为平衡孔。由于液体流经密封环间隙的阻力损失，使密封下部的液体的压力下降，从而减小作用在后盖板上的轴向力。减小轴向力的程度取决于孔的数量和孔径的大小。平衡孔的个数与叶轮叶片数一致，在叶片之间均布。所有平衡孔断面的总面积不应小于密封环间隙断面面积的5 ～6倍，从和铸造工艺和机械加工的角度来考虑，其倍数值可放宽为4 ～7倍。

对于立式泵而言，密封环和平衡孔是一种十分必要的平衡轴向力的辅助措施，在一般立式斜流泵及离心泵叶轮上都设有密封环和平衡孔。

2、背叶片

背叶片是加在叶轮后盖板的外侧，即相当于在主叶轮的背面加一个吸入方向相反

的附加半叶轮。背叶片强迫液体旋转，液体的旋转角速度增加，这样后侧的压力水头就会降低，从而作用在后盖板的轴向力也降低。

装背叶片泵的扬程大约提高1% ～2%，泵效率大约下降2% ～3%。为了便于铸造，背叶片一般都做成径向的。

3、推力轴承

对于立式泵而言，密封环和平衡孔以及背叶片的应用不能完全平衡轴向力。因此，任何形式的立式泵都必须设置推力轴承来完全平衡轴向力。推力轴承有如下特点：

（1）结构上，推力轴承一般布置在立式泵的顶端，不会对泵体内的液流产生影响，不会带来附加的容积损失和水力损失;

（2）推力轴承装置稳定可靠，可平衡两个方向的轴向力;

（3）推力轴承装置较为复杂，须有润滑油进行润滑，在泵运行过程中必须严密监测其振动和温升。

在立式泵推力轴承装置的设计过程中须注意以下问题：

（1）推力轴承的选用首要依据是在额定工况下推力轴承的使用寿命，按照国家标准要求一般为25000h，推力轴承的计算寿命必须大于25000h才能选用;

（2）选取的推力轴承额定转速N0必须大于泵运行转速N，否则会导致轴承温升过高，损坏轴承;

（3）选取推力轴承时，必须计算轴承的理论温升，按照国家标准要求轴承最高温度不过超过75℃（当推力轴承设置在电动机上时则为80℃），一般考虑环境温度为40℃，则轴承的理论温升不得超过35℃;

（4）应用于大口径立式泵推力轴承在油润滑情况下，必须有外接水对润滑油进行强制冷却。

对于立式泵的推力轴承装置，主要分为泵承受轴向力和电动机承受轴向力两种情况：

（1）泵承受轴向力，主要应用于泵口径较小（一般指1000mm口径以下），轴向力也相应较小的情况，推力轴承一般选取滚动轴承，具体还可以细分为泵转子轴径100mm以下时可以选取7系列的角接触轴承，轴径100mm以上的可以选取29系列的可调心轴承;轴承体布置在泵体上，轴向力由轴承转递至泵体，最终传递至泵基础之上;

（2）电动机承受轴向力，主要应用于泵口径较大（一般指1000mm口径以上），轴向力也相应较大的情况，推力轴承一般选取滑动轴承，轴承体布置在电动机顶端，轴向力由轴承传递至电动机壳体及相连接的电动机支架，最终传递至泵基础之上。

结论

在立式泵的设计过程中，通过对轴向力的分析和计算，合理设计密封环和平衡孔，并选取合适的推力轴承，立式泵轴向力的平衡可以达到理想的效果。

参考文献：

[1]关醒凡 .现代泵技术手册 .宇航出版社，1995

[2]沈阳水泵研究所，中国农业机械化研究院 .叶片泵设计手册 .机械工业出版社，1983

作者简介：

郑凯凯，1987-01（出生年月），性别男，籍贯（山东省泰安市），学历本科，职称助理工程师，单位（上海，必维质量技术（上海）有限公司，包含具体省市信息），单位邮编200011，研究方向（机械设备生产工艺与检验主要从事工作）。

（作者单位：必维质量技术服务（上海）有限公司）