浅谈叶轮背叶片能延长机封和轴承的寿命

樊艳丽

（埃梯梯（上海）流体技术有限公司，上海200051）

浅谈叶轮背叶片能延长机封和轴承的寿命

樊艳丽

（埃梯梯（上海）流体技术有限公司，上海200051）

为了降低泵的生命周期成本，必须考虑延长机封和轴承的寿命。开式叶轮背叶片通过降低叶轮背面的压力达到同时降低叶轮轴向力和机封腔压力的作用，有效增加轴承和机封的寿命。

叶轮；背叶片；轴向力；机封腔压力

在当今的工业领域，用户更加关注泵的全生命周期成本，而不是仅仅局限于对于关注项目初期的采购成本。因为机封和轴承是泵产品的主要易损件，为了降低泵的生命周期成本，必须考虑延长机封和轴承的寿命。也因此越来越多的泵厂家在设计细节上下功夫，以期延长机封和轴承的寿命。

耳闻能详的讨论话题是关于叶轮的背叶片的功能。经常有人问“为什么很多开式叶轮的单级单吸泵都有背叶片？”，“它们有什么用处？”。简而言之，背叶片设计就是为了延长机封和轴承的寿命。接下来有人又会问，在什么情况下在哪里会看到背叶片的设计？他们是怎么样延长机封和轴承的寿命的呢？

首先，我们要来定义一下适用背叶片设计的泵型和基本的泵设计。泵按照不同的标准和规范分很多种泵型和设计形式，例如API标准的单级单吸悬臂泵，中心支撑的双吸泵，ANSI的化工流程泵，ISO的流程泵等，但背叶片的设计最常用于单级单吸的化工流程泵。化工流程泵包括美标ANSI（B73.1）泵，不在ANSI范围内的更大的端吸泵或更小的端吸泵等。日常应用中的流程泵有闭式叶轮的也有开式叶轮。但并不是所有闭式叶轮和开式叶轮都适用背叶片的设计。

无论是闭式叶轮还是开式叶轮，他们的原理都是带动液体产生压力，但是不同的叶轮形式有其独特的特性。总体来说，闭式叶轮的效率高，开式叶轮处理颗粒的能力强。两种叶轮设计各有其优点。但是背叶片的设计，主要应用于开式叶轮上。如图1.

图1 叶轮图

为了便于理解和对比，下面先说说闭式叶轮工作时的受压情况。对于闭式叶轮的设计，因为前后盖板同时存在，其本身就可以平衡掉大多数由叶轮工作产生的压力，如图2所示。出口压力在叶轮的前后盖板上同时作用，这样就能平衡掉大部分压力。但是没有被平衡的压力会作用在叶轮的后盖板上，进而产生向入口方向的轴向力。但是此时的轴向力是平衡之后的轴向力，已经比之前由叶轮工作而产生的压力小多了。

图2 单吸叶轮前后盖板上的压力分布

如果是开式叶轮就完全不同了。因为开式叶轮没有前盖板，出口压力无法均匀的分布在整个叶轮的前面。因此，叶轮前面的压力从入口低压处向叶轮的边缘渐渐的越来越大，直到叶轮的边缘处压力最大，等于叶轮的出口压力（图3）。如过没有背叶片，那么整个后盖板上都是出口压力。那么相比闭式叶轮，开式叶轮将产生更大的轴向力，轴承也承担着更大的轴向力。如果有背叶片，叶轮背面上的压力就会减少，轴向力就会减少。背叶片相比工作叶片要小的多，当然有少数例外情况。这些背叶片像叶片一样工作，但是因为他们很小，他们产生的压力无法抵消工作叶轮产生的压力。因此，背叶片的作用就是削弱出口压力，使出口压力值趋向于一个介于原入口压力和原出口压力之间的值。因为降低了叶轮背面的压力，所以轴向力就降低了。轴承要承受的力减少了，轴承的使用寿命也就延长了。

图3 开式叶轮上的压力分布

那么，背叶片又是如何延长机封寿命的呢？保证机封使用寿命的一个必要条件是给机封一个良好的工作环境。理想的条件是：介质温度比较低，无颗粒并且机封腔压力低。但是，这样一个良好的工作环境是不现实的。对于一个既定的工况，高温和颗粒往往就是要处理的介质的特性，是无法改变的。然而，在很多情况下，机封腔压力是可以调整的。因此设计者就要从降低机封腔压力入手，尽可能降低机封腔压力。因为降低了机封腔压力，就可以减少机封密封面的磨损。机封腔压力越高，密封面承受的压力越大，压力越大磨损也越厉害。因此把机封腔压力泄掉或者削弱出口压力，都能实现降低机封腔压力的目的。泄压的方式有两种：

第一种方法是通过叶轮的平衡孔。如图4.叶轮背面的高压通过叶轮平衡孔泄到入口。平衡孔的优点是在于他是叶轮自身的一部分，仅仅是需要些微小的加工，不需要对叶轮做重大修改就能实现。其缺点是会降低泵的效率。

图4 用后密封环和平衡孔平衡轴向力

虽然平衡孔会降低泵的效率，但是对于像美标ANSI（B73.1）泵这样的小泵，因为其整体效率比较高，影响不是很明显。如果对于大的端吸泵，这种影响还是很明显的。或者通过外加冲洗实现泄压。见图5的13冲洗方案。这种方法很简单，但是要接外部的冲洗管，使压力由机封腔返回到泵的入口。

图5 密封竞选方案-13

降低机封腔压力的另外一个方法是削弱出口压力。对于闭式叶轮，最典型的方式就是使用后耐磨环加平衡孔（图4）。对于开式叶轮，使用的最普遍的方法就是叶轮背叶片。这种方法最简单，不需要对叶轮进行任何的额外的加工。背叶片是叶轮的一部分，运输、安装和运行的整个过程中都不会有额外的损坏。它的成本低、附加值高，因此很多泵厂家把这种设计作为开式叶轮的标准设计。

总体来说，叶轮背叶片可以把机封腔压力削弱大概65%～85%.这能很大的降低机封腔压力，尤其对一些高扬程的工况。小流量高扬程的工况，机封腔压力高，机封很容易损坏。采用背叶片设计，机封腔压力降低了，机封就不会出现经常损坏的情况了。人们经常会错误的认为叶轮背叶片和泵盖之间的间隙的增大，泵的性能就会降低，会影响机封和轴承的寿命。这种理解是错误的。实践证明，机封和轴承的寿命不会因此间隙的增大而降低。另外，背叶片对于处理有颗粒的工况是大有帮助的。背叶片能使颗粒处于悬浮状态，并把颗粒送到泵的出口。这样就能减少密封面处颗粒的浓度，进而增加机械密封寿命。

因此，为了增加机封和轴承的寿命，减少轴承所受轴向力和降低机封腔压力势在必行。对于开式叶轮的泵，背叶片的设计是实现此目的的不二之选。主要易损件的寿命延长了，泵的全生命周期成本就相应降低了，因此也能增加产品的竞争力。如今市场的竞争是技术水平的竞争，技术就是生产力，是企业的生存之本。

[1]IgorJ.Karassik.泵手册[M].中国石化出版社，2002.

[2]Pumps S.Centrifugal Pump Handbook（Third Edition）[M].2010.

[3]ANSI ASME B73.1-2001：Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps for Chemical Process.

[4]林 玲，牟介刚，郑水华，等.叶轮背叶片与盖板的间隙对平衡轴向力的影响[J].机械设计与制造，2013（12）：228-230.

[5]蔡 龙.浅谈离心叶轮背叶片密封能力[J].水泵技术，2010（2）：36-39.

Talking About Back Blade Design to Improve the Life of Mechanical Seal and Bearing

FAN Yan-li
（ITT（Shanghai）Fluid Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200051，China）

To save pump life-cycle time cost，it is necessary to improve the life of bearing and mechanical as they are easily damaged parts.The back blade will reduce the pressure acting on the impeller back shrouds.As a result pump thrust force and seal chamber pressure reduced.In this way，the bearing and mechanical seal life will be increased.

impeller；back blade；axial force；seal chamber pressure

TH133.3

A

1672-545X（2017）09-0238-03

2017-06-05

樊艳丽（1979-），女，河北献县人，本科，工程师，主要研究：离心泵应用。