浅谈离心式水泵的轴向推力及平衡方法

张庆文（江西铜业铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）



浅谈离心式水泵的轴向推力及平衡方法

张庆文
（江西铜业铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

摘 要：离心式水泵在生产实践过程中必然会产生轴向推力，对离心式水泵所产生轴向推力的原因、危害进行了简单的介绍；通过生产实际中总结得出，对离心式水泵平衡轴向推力进行了阐述,主要例举了四种平衡离心式水泵轴向力的方法。

关键词：离心式水泵；叶轮；轴向推力； 危害；平衡方法

1 引言

离心水泵是抽吸输送液体的机械，它能将原动机的机械能转变成液体的动能及压力能，液体获得一定流速和压力，从而把液体输送到一定的高度并克服管路中液体流动的阻力。离心式水泵在实际运行过程中会产生轴向推力，如果不及时对轴向推力进行消除，将对水泵产生冲击和振动，严重时导致整台水泵报废［1］。

2 轴向推力的产生

（1）作用在叶轮前、后盘上的压力不平衡。如下图所示，叶轮入口处压强为低压P1，出口处压强为高压p2，p2＞p1。当叶轮旋转时，由叶轮流出的高压水经间隙有部分回流到叶轮前后盘的外侧。可以证明，充满叶轮后腔的水的压强是依半径R按抛物线规律变化的。在叶轮半径R2到缝隙R1的范围内，前后轮盘上的压强对称分布，因而相互抵消，在缝隙R1到轮毂半径Rg的范围内，作用在叶轮左侧的压强是入口低压，而作用在叶轮右侧的压强为出口高压，故作用在叶轮两侧的压强不平衡，从而产生了一个使叶轮向进水口一侧移动的轴向推力。这个轴向推力是水泵总轴向推力的主要部分［2］。

（2）叶轮内水流动量发生变化。水在叶轮内流动过程中，速度方向是由轴向逐渐变为径向的。由于速度的变化，引起动量变化，其结果对叶轮也产生一个冲力，这个冲力在一般情况下较小，并且与因叶轮前后轮盘上所受压力不平衡而产生的轴向推力的方向相反。（3）大小口环磨损严重。大小口环磨损严重后泄漏量增加，使叶轮前后轮盘上的压强分布规律发生了变化而引起轴向推力的增加。在正常状态下，这个数值很小可以不予考虑，但非正常状态下，这个数值较大。

由此可见，轴向推力是由上述三方面原因引起的。其中，叶轮前后轮盘上所受压强不平衡，是产生轴向推力的主要原因。总轴向推力的方向，是沿水泵轴向并指向吸水侧。

3 轴向推力的危害

经过上述分析，随着水泵级数的增加，轴向推力会越大，致使整个转子向吸水侧移动的距离增加，使相互对正的叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击振动，减少流量，影响水泵的效率，严重时可使叶轮在吸水侧面与泵壳发生摩擦和碰撞，导致轴承发热，甚至损坏，或使整泵无法运行，在实际的生产过程中，因平衡装置失效而产生的这类现象也比较常见，因此必须设法减小或消除轴向推力［3］。

4 轴向推力的平衡方法

平衡轴向推力的方法有很多种，下面结合生产现场介绍几种常用的方法。

（1）平衡孔与平衡管。

在叶轮的后轮盘上靠近轮毂处打一圈小孔，将小室E中的高压水引到叶轮入口A处，使叶轮前后盘的压力相等，也可用平衡管代替平衡孔，从泵体外接接通小室E和吸入口A。小室用密封环与高压区隔开。这种方法结构简单，但不能完全平衡轴向推力，必须与止推轴承配合使用。另外此法会使水泵的漏损量增加，效率略有下降，一般用于小型的单吸单级离心水泵。例如生产现场的单级单吸入式给水泵等就是采用这种方式（图1）。

图1　单级叶轮的轴向推力

（2）对称布置叶轮。

在级数为偶数的多级泵中，可采用叶轮对称布置，使叶轮产生的轴向推力大小相等，方向相反，从而互相抵消。为达到良好平衡，最后一级叶轮与中间叶轮之间要严格密封，以防止因泄漏而产生的较大附加轴向推力。由于此力方向不定，因此必须在泵轴上安装双作用的止推轴承。这种平衡方法工作可靠，效率较高，也方便检修。

（3）双吸入式叶轮。

单级离心式水泵可以采用两面吸水的叶轮，使两侧的轴向推力基本相等，以达到互相平衡的目的，但是这种方法也不能完全平衡轴向推力，原因是叶轮单方向的密封被磨损后、或者两侧的密封磨损不均匀，都会产生任一方向的轴向推力。因此，必须在泵轴的两端安装双作用的止推轴承。例如生产现场的循环水泵是采用这种平衡方式。2011年3月，生产现场一台双吸入式单级离心泵一侧的机械密封出现泄漏现象，同时水泵轴承轴向振动较平时有所增大，经过对机械密封调整无效后，解体将机封取出，发现机封静环已有裂纹。在更换新的机封试车后，不仅漏水现象已消除，同时对水泵测振后，轴向振动也减小，恢复到正常运行。

（4）平衡盘装置。

多级节段式离心水泵就采用平衡盘装置来平衡轴向推力。下面结合现场实际重点介绍这种平衡方式。动力中心锅炉给水泵都是采用这种方式。

平衡盘装置安装在最后一级叶轮的后面，用键固定在泵轴上，随轴一起旋转。由最后一级叶轮流出来的高压水经过平衡装置的轮毂与泵壳之间的径向间隙流到平衡盘的内室，给平衡盘施加一个向右的压力，平衡盘外侧承受近似大气压强或吸水侧的低压。由于平衡盘内外两侧形成了压力差，对转子产生了一个指向出水侧的推力，从而使泵能在平衡状态下工作。平衡力可以随着轴向推力的大小变化而变化，并达到自动平衡的效果。泵在运转过程中，当平衡力大于轴向推力时，转子向出水侧移动，间隙增加，泄漏的水量也增加，平衡室内的压强也降低，平衡力随之减小，一直到平衡力等于轴向推力时为止；当平衡力小于轴向推力时，平衡盘连同转子就向吸水侧方向移动，间隙减小，泄漏的水量也减小，平衡衡室内的压强也升高，平衡力随之增加，一直到平衡力等于轴向推力时为止［4］。2009年8月，生产现场一台运行的高压多级锅炉给水泵，出现电机轴承温度偏高，声音异常，电机联轴器侧

轴向振动偏大，振动位移值达120μm。点检通知工艺人员将泵立即停止。电气点检对电机轴承检查后发现轴承已出现损坏，更换轴承后恢复运行。但在运行一段时间后又出现类似现象。后经机电点检分析，认为这种现象可能是泵平衡装置失效所引起的。机械点检安排检修人员将水泵轴承座、尾盖等部件拆除后，发现平衡盘、平衡环已严重磨损，致使水泵平衡力破坏，产生的轴向推力将水泵转子往电机方向推，故出现电机轴承温升高、声音振动异常等现象，造成轴承损坏，在更换完平衡装置后，水泵运行参数一切正常。

由此可见，当水泵工况发生改变，使轴向推力发生变化时，平衡盘装置产生的平衡力则可依靠间隙的变化与轴向推力随时取得平衡。平衡盘装置的缺点是平衡盘容易磨损，磨损后泄漏量增大，降低泵的效率。

参考文献：

［1］齐大信. 通用机械设备[M]. 北京:化学工业出版社, 2001(8):16-18.

［2］杨和建, 于光忠. 机械设计基础[M]. 保定:河北大学出版社, 2010(7):102-103.

［3］吴宗泽. 机械设计[M]. 北京:高等教育出版社, 2001:92-93.

［4］孙桓, 陈作模. 机械原理[M]. 第五版. 北京:高等教育出版社, 1996:41-43.

［5］冯辛安.机械制造装备设计[M]. 北京:机械工业出版社, 2004:52-57.

［6］傅水根. 机械制造工艺学基础[M]. 北京:清华大学出版社, 2011:86-90.

Introduction of Centrifugal Water Pump Axial Thrust and Balance Method

ZHANG Qing-wen
（Jiangxi Copper Lead & Zinc Co., Ltd, Jiujiang 332500, Jiangxi, China）

Abstract:In the production practice, the centrifugal pump will generate axial thrust inevitably. the reasons of which the axial thrust generated and hazards of axial thrust are briefly introduced, the actual production is concluded, the centrifugal pump axial thrust balance are described, the main four methods for balance the centrifugal pump axial force are exampled.

Keywords:centrifugal pump；impeller；axial thrust；hazard；balancing method

作者简介：张庆文（1984-），男，福建漳州人，主要从事热工类技术方面的工作。E-mail:147118068@qq.com

收稿日期：2015-07-15

中图分类号：TH311

文献标识码：A

文章编号：1009-3842（2016）01-0084-02