离心泵的轴向力平衡方法有哪些

离心泵的轴向力平衡方法有哪些

一、推力轴承
对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力，通常是简单而经济的方法。即使采用其他平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也装设推力轴承。

二、平衡孔或平衡管
如图1所示，在叶轮后盖板上附设密封环，密封环所在直径一般与前密封环相等，同时在后盖板下部开孔，或设专用连通管与吸入侧连通。

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。在这种情况下，仍有10~15%的不平衡轴向力。要完全平衡轴向力必须进一步增大密封环所在直径，需要指出的是密封环和平衡孔是相辅相成的，只设密封环无平衡孔不能平衡轴向力；只设平衡孔不设密封环，其结果是泄漏量很大，平衡轴向力的程度甚微。

平衡孔示意图
采用这种平衡方法可以减小轴封的压力，其缺点是容积损失增加（平衡孔的泄漏量一般为设计流量的2~5%）。另外，经平衡孔的泄漏流与进入叶轮的主液流相冲击，破坏了正常的流动状态，会使泵的抗汽蚀性能下降。为此，有的泵体上开孔，通过管线与吸入管连通，但结构变得复杂。

采用上述平衡方法，轴向力是不能达到完全平衡的，剩余轴向力需由泵的轴承来承受。用平衡孔平衡轴向力的结构使用较广，不仅单级离心泵上使用，而且多级离心泵上也使用。但由于轴向力不能完全平衡，仍需设置止推轴承，且由于多设置了一个口环，因而泵的轴向尺寸要增加，因此仅用于扬程不高，尺寸不大的泵上。

三、双吸叶轮
单级泵采用双吸式叶轮后，因为叶轮是对称的，所以叶轮两边的轴向力互相抵消。但实际上，由于叶轮两边密封间隙的差异，或者叶轮相对于蜗室中心位置的不对中，还是存在一个不大的剩余轴向力，此轴向力需由轴承来承受。
四、背叶片
泵背叶片是加在后盖板的外侧，即相当于在主叶轮的背面加一个与吸入方向相反点的附加半开式叶轮，如下图。

为了便于铸造，这种背叶片通常都是做成径向的，也有做成弯曲的。叶轮加背叶片之后，背叶片强迫液体旋转，液体的旋转角速度增加，改变了后盖板的压力水头分布减小了不平衡力。剩余轴向力仍需由轴承来承受。

背叶片示意图
背叶片除平衡轴向力外，同时能减小轴封前液体的压力。

装背叶片泵的扬程大约提高1~2%，使泵效率下降2~3%。背叶片还有防止杂质进入轴封的功能，输送含杂质液体的泵中常采用。
五、叶轮对称布置
该方法主要用于多级泵。泵的所有叶轮平均分为两个方向布置，面对面或者背靠背地按一定次序排列起来（如下图），可使轴向力相互平衡。

叶轮对称布置示意图
布置叶轮的原则是：
（1）级间过渡流道不能很复杂，以利于铸造和减小阻力损失；
（2）两端轴封侧应布置低压级，以减小轴封所受的压力；
（3）相邻两级叶轮间的级差不要过大，以减小级间压差，从而减小级间泄漏。
节段式泵对称布置可平衡轴向力，但级间泄漏增加。对称布置叶轮，只有在结构完全相同的条件下，才能完全平衡，当各级的轮毂轴台不同时，也将产生一定的轴向力。
六、平衡鼓
平衡鼓是个圆柱体，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转。

平衡鼓外圆表面与泵体间形成径向间隙。平衡鼓前面是末级叶轮的后泵腔，后面是与吸入口相连通的平衡室。这样作用在平衡鼓上的压差，形成指向右方的平衡力，该力用来平衡作用在转子上的轴向力。

七、平衡盘
平衡盘可在不同工况自动完全地平衡轴向力，故广泛地应用于多级离心泵。如图5所示，在轴套与泵体间存在一个间隙，在盘端面与泵体间有一个轴向间隙bo，平衡盘后面有与泵吸入口相通的平衡室。径向间隙b前的压力是末级叶轮背面的压力p，液体经过间隙b后，压力降低为p＇，径向间隙的压力降为△p1=p-p＇，液体通过轴向间隙b0后，压力再下降至po轴向间隙两端的压力降为△p2=p＇-po，其中po和泵吸入口的压力接近。

整个平衡盘装置的压力降为△p=△p1+△p2。这样，在平衡盘上作用一个平衡力，方向与泵的轴向力相反。

平衡盘示意图
平衡盘的工作原理是：
当轴向力大于平衡盘的平衡力时，离心泵转动部分向左移，轴向间隙bo随之减少，流体流过间隙的阻力加大，整个平衡装置的总阻力系数也因此加大。但是，△p不变，所以泄漏量q减少，结果是△p1减少而△p2增大，从而增加了平衡力，随着转动部分不断向左移动，平衡力不断增加，到达某一位置时，平衡力和轴向力达到平衡。

当轴向力小于平衡力时，转动部分向左移动，与上述过程相反，也使离心泵处于轴向平衡状态。所以装有平衡盘装置的离心泵，一般不配止推轴承。

多级离心泵平衡的问题

1.平衡管是在叶轮轮盘外侧靠近轮毂的高压端与离心泵的吸入端用管连接起来，使叶轮两侧的压力基本平衡，从而消除轴向力。2.这个压力与出入口压力有关，压力越高表示各级叶轮轴向力越大。

因此平衡管存在压差，这个压差反映的是平衡盘平衡轴向力后的转子轴向力，这些靠止推轴承来平衡。

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多级离心泵平衡鼓的结构及工作原理

平衡鼓是个圆柱体，装在末级叶轮之后，随轴旋转，鼓外圆表面与壳体间形成间隙。鼓前面是末级叶轮的后泵腔，后面与吸入口相连。

这样作用在鼓的压差，形成与水力轴向力相反的力来平衡轴向力。

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　离心泵

一、离心泵的工作原理
图2-1所示为一个安装在管路上的离心泵。主要部件有叶轮1与泵壳2等。

具有若干弯曲叶片的叶轮安装在泵壳内，并紧固于泵轴3上。

泵壳中央的吸水口4与吸水管路5相连接，侧旁的排出口8与排出管路9相连接。
离心泵一般用电动机带动，在启动前需向壳内灌满被输送的液体。启动电动机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着转动，在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s，即液体的动能也有所增加。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出液体的位置。只要叶轮不断地转动，液体便不断地被吸入和排出。由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮。

液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。
离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力，所以启动前必须向壳体内灌满液体。若离心泵的吸入口位于吸液贮槽液面的上方，在吸入管路的进口处应装一单向底阀6和滤网7。

底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀10，以供开车、停车及调节流量时使用。

图2-1　离心泵装置简图
1-叶轮；2-泵壳；3-泵轴；4-吸入口；5-吸入管；6-底阀；7-滤网；8-排出口；9-排出管；10-调节阀
二、离心泵的主要部件
离心泵最主要的部件为叶轮、泵壳与轴封装置，下面分别简述其结构和作用。

（1）叶轮　叶轮的作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。
离心泵的叶轮如图2-2所示，叶轮内有6～12片弯曲的叶片1。图中（a）所示的叶片两侧有前盖板2及后盖板3的叶轮，称为闭式叶轮。液体从叶轮中央的入口进入后，经两盖板与叶片之间的流道流向叶轮外缘，在这过程中液体从旋转叶轮获得了能量，并由于叶片间流道的逐渐扩大，故也有一部分动能转变为静压能。

有些吸入口侧无前盖的叶轮，称为半闭式叶轮，如图中（b）所示。没有前、后盖板的叶轮，称为开式叶轮，如图中（c）所示，半闭式与开式叶轮可用于输送浆料或含有固体悬浮物的液体，因取消盖板后叶轮流道不容易堵塞，但也由于没有盖板，液体在叶片间运动时容易产生倒流，故效率也较低。

图2-2　离心泵的叶轮
（a）闭式；（b）半闭式；（c）开式
闭式或半闭式叶轮在工作时，有一部分离开叶轮的高压液体漏入叶轮与泵壳之间的两侧空腔中去，而叶轮前侧液体吸入口处为低压，故液体作用于叶轮前、后两侧的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口方向的轴向推力，使叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮与泵壳接触处磨损，严重时造成泵的振动。为此，可在叶轮后盖板上钻一些小孔（见图2-3（a）中的1）。

这些小孔称为平衡孔，它的作用是使后盖板与泵壳之间的空腔中一部分高压液体漏到低压区，以减少叶轮两侧的压力差，从而起到平衡一部分轴向推力的作用，但同时也会降低泵的效率。平衡孔是离心泵中最简单的一种平衡轴向推力的方法。
按吸液方式的不同，叶轮还有单吸和双吸两种。单吸式叶轮的结构简单，如图2-3（a）所示，液体只能从叶轮一侧被吸入。

双吸式叶轮如图2-3（b）所示，液体可同时从叶轮两侧吸入。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。

图2-3　吸液方式（a）单吸式；（b）双吸式
（2）泵壳离心泵的泵壳又称蜗壳，因壳内有一个截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道，如图2-4的1所示。

叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体出口，通道截面积愈大。因此，液体从叶轮外缘以高速度被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道向排出口流动，流速便逐渐降低，减少了能量损失，且使部分动能有效地转变为静压能。所以泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部件，而且本身又是一个转能装置。

为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘。这个圆盘称为导轮，如图2-4中的3所示。导轮具有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能，从而减少能量损失。

图2-4　泵壳与导轮1-泵壳；2-叶轮；3-导轮
（3）轴封装置泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。

轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周漏出，或者防止外界空气以相反方向漏入泵壳内。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。
普通离心泵所采用的轴封装置是填料函，俗称盘根箱，如图2-5所示。

图中1是和泵壳连在一起的填料函壳；2是软填料，一般为浸油或涂石墨的石棉绳；4是填料压盖，可用螺钉拧紧，使填料压紧在填料函壳与转轴之间，以达到密封的目的；5是内衬套，用来防止填料挤入泵内。由于泵壳与转轴接触处可能是泵内的低压区，为了更好地防止空气从填料函不严密处漏入泵内，故在填料函内装有液封圈3。如图2-6所示，液封圈是一个金属环，环上开了一些径向的小孔，通过填料函壳上的小管可以和泵的排出口相通，使泵内高压液体顺小管流入液封圈内，以防止空气漏入泵内，所流入的液体还起到润滑、冷却填料和轴的作用。

图2-5　填料函
1-填料函壳；2-软填料；3-液封圈；4-填料压盖；5-内衬套

图2-6　液封圈
对于输送酸、碱以及易燃、易爆、有毒的液体，密封的要求就比较高，既不允许漏入空气，又力求不让液体渗出。

近年来已广泛采用称为机械密封的轴封装置。它由一个装在转轴上的动环和另一个固定在泵壳上的静环所组成，两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对运动，起到了密封的作用，故又称为端面密封。图2-7是国产AX型机械密封装置的结构，该装置的左侧连接泵壳。

螺钉1把传动座2固定于转轴上。传动座内装有弹簧3、推环4、。

离心泵轴向力的平衡装置有哪些

多级离心泵轴向力平衡装置的设计理念离心泵在运行的过程中产生的轴向力会造成转子轴的上下窜动,造成离心泵内零件之间的摩擦作用,长期下去势必会对离心泵的零件造成损耗,影响多级离心泵设备的正常运行,影响生产效率。然而,轴向力平衡装置的配置,会在两端产生一定的压力差,其中的液体会在流动的过程中产生一个与轴向力相反的平衡力,而平衡力的大小会随平衡盘移动而发生一定的变化,直到与离心泵的轴向力相互抵消,但是由于惯性的存在,离心泵的转子不会立即停止窜动,因此离心泵的转子始终处于一种动态平衡状态下,保证多级离心泵的正常运行。

轴向力平衡装置的设计工作是整个多级离心泵配置和设计工作中的重要组成部分,因此相关设计工作人员在确保多级离心泵正常运行的前提下,应该充分考虑到工业生产的实际运行环境,结合多种设计方法和理念,将设备在运行过程中的使用状态保持在一个较为稳定、安全的状态下。

下面就简要介绍几种多级离心泵轴向力平衡装置在设计工作过程中的设计理念和方法。2.1叶轮对称分布法在现代离心泵轴向力平衡装置的设计工作中,一般都将叶轮级数选择为偶数,因为当叶轮级数为偶数时,可以使用叶轮对称分布法来平衡设备轴向力,对称分布的叶轮在运行过程中产生的轴向力大小相等,方向相反,在宏观上则会表现出一种平衡状态。在进行设计的过程中,应该注意反向叶轮入口前的密封节流尺寸与叶轮的直径大小相一致,保证良好的密封性。2.2平衡盘法平衡盘法作为现代多级离心泵轴向力平衡装置设计过程中比较常见的设计方法,其结构可以根据生产需求进行适度的调整,其平衡力一部分主要是由盘径向间隙与轴向间隙之间的截面产生,另一部分主要是由平衡盘轴向间隙与外半径截面产生,这两种平衡力起着平衡轴向力的作用。

与其他方式相比,平衡盘法的优势在于其平衡盘的直径较大,灵敏度较高,有效地提升了设备装置的运行稳定性。2.3平衡盘鼓法与平衡盘法相比,平衡盘鼓法的不同之处在于其节流轴套部分的尺寸要比叶轮轮毂尺寸大,而平衡盘要求节流轴套的尺寸与叶轮轮毂的尺寸相对应。一般来讲，在平衡盘鼓的设计方法中,由平衡盘产生的平衡力占到总轴向力的一半以上,最大可以达到总轴向力的90%,其他部分主要是由平衡鼓来提供。

与此同时,适度增加平衡鼓的平衡力,会相应减低平衡盘的平衡力，相应地会使平衡盘的尺寸减低,从而减小平衡盘的磨损程度,提高设备零件的使用周期,保证多级离心泵的正常运行。2.4双平衡鼓法双平衡鼓法其实就是在平衡盘鼓法的基础上进行强化生成的，与平衡盘鼓法相比,这种方法是在平衡盘的外径上多增加了- -道径向间隙，这样就使得平衡盘发挥的作用与平衡鼓相当,不仅使得轴向间隙进- - 步增加，”而且也会减少平衡盘与设备之间的磨损程度,同时也会使平衡室的压力相对降低,减少大鼓的平衡力大小，提高设备运行的稳定性.保证多级离心泵轴向力平衡装置能够发挥出应有的作用。