立式多級(jí)泵軸向力平衡的研究

李曉軍

（上海中韓杜科泵業(yè)制造有限公司，上海 201715）

現(xiàn)階段隨著二次供水設(shè)備的蓬勃發(fā)展，二次供水系統(tǒng)中輕型立式多級(jí)不銹鋼沖壓泵的使用也越來越多，立式多級(jí)沖壓泵結(jié)構(gòu)緊湊，整泵重量輕，由于葉輪葉片蓋板，導(dǎo)葉葉片導(dǎo)葉體都采用不銹鋼材質(zhì)制作，大大降低了對(duì)水質(zhì)污染；立式多級(jí)沖壓泵的應(yīng)用市場也越來越廣，消防、暖通、輕化工等相關(guān)領(lǐng)域也多有應(yīng)用案例。

通常情況下立式多級(jí)離心泵運(yùn)行時(shí)由于葉輪進(jìn)出水前后有壓力差的作用，使得水泵泵軸和整個(gè)轉(zhuǎn)子部件上產(chǎn)生向進(jìn)水向下的軸向力，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的立式多級(jí)沖壓式泵，因泵內(nèi)沒有設(shè)置平衡軸向力的裝置，主要軸向力由電機(jī)軸承承受，由于立式多級(jí)泵級(jí)數(shù)多、揚(yáng)程高、軸向力較大，很容易造成電機(jī)軸承損壞，進(jìn)一步使電機(jī)損傷，造成故障，因此大部分的電機(jī)都通過加大軸承的方式或結(jié)構(gòu)改動(dòng)來使得電機(jī)能夠承受水泵的軸向力作用，這樣使得不能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，造成生產(chǎn)難度加大。根據(jù)立式多級(jí)泵實(shí)際使用情況，通過改進(jìn)立式多級(jí)沖壓泵的結(jié)構(gòu)和工藝，降低泵用電機(jī)的故障率，對(duì)立式多級(jí)沖壓泵的軸向力平衡進(jìn)行研究。

1 立式多級(jí)離心泵的軸向力平衡分析

1.1 立式多級(jí)泵軸向力的產(chǎn)生機(jī)理

立式多級(jí)沖壓泵在運(yùn)行過程中，由于葉輪進(jìn)水口是低壓區(qū)，葉輪出水蓋板后是高壓區(qū)，前后存在壓力差，使多級(jí)泵泵軸轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)很大的作用力，此作用力按多級(jí)沖壓泵結(jié)構(gòu)從上往下。

立式多級(jí)沖壓泵液體從葉輪軸向進(jìn)口進(jìn)入葉輪內(nèi)部，沿著葉片從徑向流出，液體流動(dòng)方向發(fā)生變化，是由于液體收到葉輪作用力的結(jié)果，同時(shí)液流會(huì)給葉輪一個(gè)大小相等，方向相反的反作用力稱為動(dòng)反力，方向從葉輪進(jìn)口指向葉輪后面，按照動(dòng)量定理可知。

立式多級(jí)泵轉(zhuǎn)子總成自重產(chǎn)生的重力，及轉(zhuǎn)動(dòng)部件本身重量所引起的軸向力。

1.2 傳統(tǒng)立式多級(jí)泵的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的立式多級(jí)沖壓泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示，傳統(tǒng)的立式多級(jí)沖壓泵的軸向力主要通過電機(jī)的軸承承受，由于多級(jí)泵級(jí)數(shù)越多，揚(yáng)程越高，軸向力也越大，很容易使軸承損壞，從而使電機(jī)損壞甚至報(bào)廢，造成損失，且大部分電機(jī)需要加大軸承等方式來更改結(jié)構(gòu)，這就給電機(jī)制作帶來很多不便。有些從水泵與電機(jī)連接支架中間加推力軸承等方式解決軸向力問題，給水泵裝配和維護(hù)帶來不便。

圖1

1.3 結(jié)構(gòu)改造后立式多級(jí)沖壓泵軸向力分析

將改造后整個(gè)立式多級(jí)沖壓泵的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在水泵轉(zhuǎn)子部件與進(jìn)出水段下端設(shè)置一對(duì)平衡摩擦副，將泵導(dǎo)葉出水口的高壓水引向葉輪前端進(jìn)水口低壓區(qū)的密封腔，給轉(zhuǎn)動(dòng)部件向上的壓力，來平衡向下的軸向力，這樣整個(gè)轉(zhuǎn)子部件向上的作用力和向下的作用力達(dá)到平衡。此平衡摩擦副，不需要再定制加大電機(jī)軸承更改結(jié)構(gòu)等。

圖2

平衡裝置的運(yùn)行分析和具體的實(shí)施方式如下：

如附圖3、圖4 所示，為水泵平衡裝置結(jié)構(gòu)的剖面放大圖和剖面右視圖，圖中將水泵泵體1 分為進(jìn)口低壓區(qū)12 和泵出口高壓區(qū)7，水泵泵體1 上設(shè)置有支撐座9，水泵泵體1 上設(shè)置有回流孔8，該回流孔將高壓水引流至平衡摩擦副底部腔體5，支撐座9 上方設(shè)置有動(dòng)、靜環(huán)摩擦副，動(dòng)環(huán)摩擦副4 隨主軸旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)摩擦副6 不隨主軸旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)摩擦副6 與支撐座9 上設(shè)置的防轉(zhuǎn)定位塊存在一定的間隙，靜環(huán)摩擦副6 受壓后可沿著支撐座9 上設(shè)置的防轉(zhuǎn)定位塊向上浮動(dòng)，動(dòng)、靜環(huán)摩擦副接觸面制作成和機(jī)封動(dòng)靜摩擦副一樣的光滑端面，動(dòng)環(huán)摩擦副4由壓蓋3 壓住推力盤2 上裝在泵軸10 上，支撐座9 與靜環(huán)摩擦副6 和水泵泵體1 之間均設(shè)有O 型圈11 防止漏水。當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)因葉輪作用力形成的壓力差，使水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件產(chǎn)生向下軸向力，此時(shí)水泵運(yùn)行產(chǎn)生的高壓水流通過回流孔8 進(jìn)入平衡摩擦副底部腔體5，由此高壓水作用力加在靜環(huán)摩擦副6 上使之向上運(yùn)動(dòng)，水泵運(yùn)行時(shí)泵軸10 帶動(dòng)動(dòng)環(huán)摩擦副4 高速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)摩擦副4 和靜環(huán)摩擦副之間形成極薄的液膜，同機(jī)封摩擦副原理相同，同時(shí)將向上的作用力傳遞給整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，此力與向下軸向力大小相等方向相反，使水泵泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)總成部分達(dá)到受力均衡，因動(dòng)、靜環(huán)摩擦副之間形成的極薄液膜阻止了液體的泄露，同時(shí)液體液膜也潤滑了摩擦副端面，獲得長期運(yùn)行潤滑密封和平衡軸向力效果。采用此種動(dòng)、靜環(huán)摩擦副的平衡型裝置，設(shè)計(jì)者可以有效的控制端面比壓，從而使摩擦損失減小，降低功率損耗，延長使用壽命，即使摩擦端面嚴(yán)重磨損，產(chǎn)生的軸向力仍然能夠得到很好的平衡，使得水泵因軸向力而產(chǎn)生的軸承發(fā)熱、損壞噪音等故障率大大下降，所以該平衡裝置十分可靠。

圖3

圖4

2 改造泵型軸向力及平衡裝置計(jì)算

2.1 軸向力的計(jì)算

XRL155 泵型，流量Q=155m3/h,轉(zhuǎn)速n=2980r/min

揚(yáng)程H=189m，i=7 泵的單級(jí)揚(yáng)程H1=189/7=27m

介質(zhì)為常溫清水，ρ=1000kg/m3

葉輪直徑D2=168.5mm，葉輪進(jìn)口直徑Dj=108.8mm，

葉輪密封環(huán)處直徑Dm=110.8mm

泵軸直徑d=28mm，輪轂直徑dh=35.4mm

泵的水力效率

立式泵轉(zhuǎn)子重量（包括液體重量）A3=323N

2.2 平衡摩擦副的計(jì)算

由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知，在設(shè)置平衡裝置時(shí)，將水泵的高壓水引入平衡裝置下方腔體，使得平衡靜摩擦副上升支撐整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，形成一個(gè)給整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)總成向上的力，由此平衡掉轉(zhuǎn)子的軸向力，此力與軸向力大小相等方向相反。由此可以推導(dǎo)出平衡裝置的尺寸。

圖5

平衡裝置尺寸由此可確定平衡摩擦副外徑為80mm。

通過以上分析計(jì)算表明，在設(shè)計(jì)該平衡裝置時(shí)可較為準(zhǔn)確計(jì)算出平衡裝置摩擦副的尺寸，在實(shí)際運(yùn)用中為了使運(yùn)行更加穩(wěn)定，使水泵泵軸承受些許拉伸力，平衡裝置外徑不宜取值過大，少許小于計(jì)算值可按計(jì)算外徑的0.9～0.95 取值，具體可按水泵參數(shù)范圍不同流量下進(jìn)行演算得出。

端面壓力可由F=ρgHπ（R2p-R2內(nèi)）計(jì)算，摩擦副端面寬度可按3mm 左右取值，外徑確定后可按照機(jī)械密封資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)整平衡腔體內(nèi)徑的尺寸可有效控制端面比壓減少摩擦副的磨損，降低摩擦損耗，設(shè)計(jì)時(shí)需注意合理取值。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的立式多級(jí)沖壓式泵，因泵內(nèi)沒有設(shè)置平衡軸向力的裝置，主要軸向力由電機(jī)軸承承受，由于立式多級(jí)泵級(jí)數(shù)多、揚(yáng)程高、軸向力較大，很容易造成電機(jī)軸承損壞，進(jìn)一步使電機(jī)損傷，造成故障，多數(shù)的電機(jī)都通過加大軸承的方式或結(jié)構(gòu)改動(dòng)來使得電機(jī)能夠承受水泵的軸向力作用，這樣使得不能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，立式多級(jí)沖壓泵隨著級(jí)數(shù)增加功率的增大，這就需要每個(gè)電機(jī)基座號(hào)都得進(jìn)行重新設(shè)計(jì)承受軸向力，造成生產(chǎn)難度加大。

本文通過對(duì)立式多級(jí)離心泵的軸向力研究分析，在水泵轉(zhuǎn)子部件與進(jìn)出水段下端設(shè)置一對(duì)平衡摩擦副，將水泵出水口的高壓水流通過引流方式引流到水泵葉輪吸入端的低壓區(qū)，給低壓區(qū)密封摩擦副向上的作用力，同時(shí)將向上的作用力傳遞給整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，使水泵內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的軸向力達(dá)到平衡。

實(shí)踐證明，筆者公司研發(fā)的系列產(chǎn)品，XRL125、XRL155、XRL185 均采用了平衡摩擦副結(jié)構(gòu)形式，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了同類進(jìn)口泵的技術(shù)水平。同時(shí)運(yùn)行可靠性方面優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，降低了客戶使用中頻繁更換電機(jī)軸承，解決了泵組的振動(dòng)、軸承發(fā)熱損毀等問題，降低了客戶頻繁檢修所帶來的損失，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)在該系列泵型中得到使用降低了成本，進(jìn)一步回饋客戶。

綜上所述，該平衡裝置平衡摩擦副的改造結(jié)構(gòu)，打破了固有的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式，使多級(jí)沖壓水泵平衡問題得到了解決，電機(jī)結(jié)構(gòu)得到解放，不局限于立式多級(jí)沖壓式離心泵，在其它泵型當(dāng)中也可廣泛使用。