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离心泵轴向力计算式应用与平衡作者：于锡平来源：《科学与财富》2014年第02期摘要：离心泵在工作过程中，可靠运行的一个重要方面就是平衡部件（平衡盘或平衡鼓）和推力轴承的设计，一般在多级离心泵的叶轮上不考虑平衡轴向力的结构，因此，泵轴向力计算的准确程度影响到平衡部件、推力轴承的设计和使用寿命，本文经多年的设计实践，提出较理想的轴向力计算式，基本在设计卧式多级泵或立式多级泵的平衡盘或平衡鼓的部件时没有失误，可以借鉴。
关键词：离心泵；轴向力；计算式应用；平衡1. 轴向力产生的原因由于叶轮前后盖板因液体压力分布情况不同引起很大的轴向力，叶轮后盖板所受压强大于前盖板所受的压强，形成的压力差，方向自叶轮背面指向叶轮入口，这个力是泵轴向力的主要组成部分。
泵在正常运行时，叶轮吸入口的压力P1，叶轮背面的压力为P2，且P2>P1，因此沿着泵的轴向方向就会产生一个推力。
液体流经叶轮后，由于流动方向变化所产生的动压力F2，在多级离心泵中，流体通常由轴向流入叶轮，由径向流出，流动方向的变化是由于流体受到叶轮的作用力，因此流体也给叶轮一个大小相等、方向相反的反作用力。
扭曲叶片工作面和背面压力不同产生的轴向力。
对于立式泵，转子的重量也是轴向力的组成部分。
其它因素产生的轴向力。
2. 轴向力计算式探讨假定叶轮两侧间隙液体压力分布规律相同，则有轴向力F1=π/4（D21-dh2）ρg[HP-U22/8zg{1-（D21-d2h）/2D22}]，实际上，由于存在泄漏，轮盖两侧会有液体从外径处经轮盖密封流向吸入口，轮盘测则由于级间泄漏，有液体自高压级漏失到低压级，从叶轮内径处流向外经处，在轮盖测，液体做向心的径向流动，所以压力要减小，而在轮盘测，液体作离心的径向流动，所以，压力要增大，这样一来，轴向力F1的实际值比上式要大一些，所以，一般使用经验公式F1=（π/4）（D21-d2h）ρgkHi，其中，k为实验系数，与比转数有关，当nS=60-150时，k=0.6；当nS=150-250时，k=0.8；i为叶轮级数。
(1)平衡鼓法这是一种径向间隙液压平衡装置，它装在最后一级叶轮和平衡室之间，和泵轴一起旋转的称为平衡鼓轮，静止部分称为平衡鼓轮头。
用一根管线平衡室与泵进口连通，这样平衡室内的压力就等于进口连通管线中损失压力之和。
平衡鼓法平衡原理：平衡鼓轮前面是最后一级叶轮的后泵腔，其压力接近于泵的排出压力，因而平衡鼓两个端面之间有一个很大的压力差，能够把平衡鼓轮向后推，从而带动整个转子向后移动。
如果我们设法使这个推力和离心泵的轴向力相等，就能够达到平衡轴向力的目的。
(2)平衡盘法(下图)：平衡盘是一种轴向间隙液压平衡装置。
装在最后一级叶轮与平衡室之间，和轴一起转动的称为平衡盘，静止不动的称为平衡环(套)。
平衡原理：从叶轮出来的一部分液体经过平衡盘与平衡环之间的轴向间隙漏入平衡室，再用管路把平衡室与泵吸入口连通，这时平衡盘背面所受的压力是平衡室压力。
平衡盘正面最小直径上受到的压力是泵的吐出压力，而在周界上是平衡室压力。
只要选择好平衡盘的内、外直径尺寸，就可以使平衡盘正面与背面的压力差和泵的轴向力相等，从而达到平衡的目的。
平衡盘法假如泵的轴向力增加，这额外的压力就会把泵的转子推向吸入口侧，从而使平衡盘和平衡环之间的端面间隙减小。
此时通过这个间隙的漏失量将减少，平衡室压力下降，这时平衡盘前后的压力差增加，将转子向吐出口方向推，直到与轴向力平衡为止。
反之，如果泵的轴向力减小，就会造成平衡盘与平衡环之间的轴向间隙增大，漏失量增加，平衡压力增高，直到又获得新的平衡为止。
(3)平衡盘与平衡鼓组合法(下图)：平衡盘与平衡鼓组合实际上是一种径向、轴向液压平衡装置。
高压多级离心泵普遍采用此法，平衡效果好，组合法的平衡原理与上述两法相同。
平衡盘与平衡鼓组合法(4)叶轮对称布置平衡法：在多级水平中开式离心泵中通常采用叶轮对称布置平衡法来平衡轴向力，使成组叶轮的吸人口方向正好相反，从而起到平衡轴向力的作用。
在泵上也要安装止推轴承。
离心泵轴向力产生原因及平衡方法
离心泵轴向力是指泵转轴非对称运动时侧向受力产生的向力，主要有它的重力和压力及其流体动作、离心力及它所伴随的中间体及相关共振引起的振动负责。
离心泵的轴向力会引起机械设备的振动，受力部位的设计和动态特性容易导致系统发生故障，影响机械设备的安全运行。
要解决离心泵轴的力的问题，可以采取几种方法来平衡轴向力。
首先，应注重设备运行的稳定性和安全性，平衡轴向力的设计方法平衡前驱和滞后力已经成为离心泵轴向力平衡的主要方法。
使用特制的前驱和滞后比例和补偿调整环可以控制转子位移，使转子在设定点位置得到控制，这样可以最大限度地降低轴向力。
其次，采用改变泵头形状的方法平衡轴向力，不仅减小了轴向力，还提高了泵的效率。
再次，改变离心泵的安装方式和改变叶轮的支撑结构，也可以减小轴向力。
最后，应注意定期检查离心泵的中间体的物理和化学特性，防止出现可能引起振动的化学或物理性变化，同时增加阻尼器的频率也能减小轴向力产生的振动。
总之，要想有效地平衡离心泵轴向力，需要主要综合采取以上几种措施。
一方面，针对轴向力分析，检测设备的稳定性和安全性，利用特制的前驱和滞后力方法控制轴的位移；另一方面，要注重改变离心泵的安装方法和支撑形状，使泵头变化成矩形，以提高泵的效率。
还要定期检查离心泵中间体，并增加阻尼器的频率，控制泵轴的动态平衡。
离心泵的轴向力的产生和计算摘要：分析几种型式的离心泵轴向力的形成及其影响的各种因素。
对应不同结构形式的离心泵，列出其轴向力的相关计算。
关键词：离心泵 原理 轴向力 计算离心泵作为一种通用机械，在我国国民经济各部门中应用极广，农田排灌、石油化工、动力工业、城市给排水、采矿和船舶工业等等。
其在高速、高温、高压环境下，对泵机组的可靠性要求很高，特别是在一些连续性生产的企业，离心泵是流体物料介质的重要输送动力机构，其能否长周期稳定运行直接影响企业的产量和效益。
本文简单介绍离心泵的工作原理，轴向力的产生原因及其计算，希望能给用户单位在离心泵使用维护和技术改造方面提供帮助。
一、离心泵轴向力的形成及其影响的诸因素1 离心泵的工作原理离心泵是依靠高速旋转的叶轮使液体在离心力的作用下，从叶轮的外缘进入蜗壳，在蜗壳中，由于流道的逐渐扩大，液体的流速逐渐减小，从而将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排除管道。
液体由叶轮中心流向外缘使叶轮中心的压力下降，进口管的液体在其本身压力或大气压的作用下，被压入叶轮中。
这样只要叶轮不停地旋转，进口管内的液体就会被连续的吸入和排除。
2 轴向力产生的原因2.1叶轮前后盖板不对称压力产生的轴向力，这是所有轴向力中最重要的一个因素。
又由于叶轮盖板的形状是不规则的，所以其轴向力大小比较复杂，此力指向压力小的盖板方向，用1F 或1F 表示；2.2 液体流过叶轮由于方向改变产生的冲力（动反力），此力指向叶轮后面，用2F 表示；2.3 轴台、轴端等结构因素引起的轴向力，其方向视具体情况而定，用3F 表示； 2.4 转子重量产生的轴向力，其方向与转子的布置方式有关，用4F 表示；2.5 当有径向流时会改变压力分布，因而影响轴向力的数值。
在叶轮前盖板泵腔，存在向内径向流动，后泵腔中存在向外的径向流动，轮毂处的压力大于无径向流动时的压力。
多级泵因级间泄漏而存在外向的径向流。
对于不同的泵，按内向流动压力减小，外向流动压力增加来分析对轴向力的影响；2.6 叶轮两侧密封环不同，当两侧密封环间隙长度不同，磨损不同时，会产生指向泄漏大的一侧的附加轴向力；2.7 影响轴向力的其他因素：如制造、装配、泵轴叶轮机械性能等。
离心泵轴向力分析和平衡方法探讨曹昆朋摘要：在离心泵工作的过程中，转子会受到一个轴向推力，其和轴心线相互平行。
如果该力得不到有效的控制，在其作用下转子可能会出现一种轴向窜动的情况，这时就会引发转动部件以及固定部件之间直接接触，当这种情况发生就会引发泵零部件非正常运行。
对离心泵的轴向力产生和平衡方法作了详细的叙述，希望可以起到一定的作用。
关键词：离心泵；轴向力分析；平衡方法前言：高速离心泵的轴向力平衡方法有平衡孔、平衡管、背叶片、平衡鼓及平衡盘等方式。
背叶片通过降低叶轮盘侧流体压力，从而来减少叶轮盘侧的方向指向进口的轴向力，但会增加轴功，致使效率降低，不是高速泵轴向力平衡的首选方法。
叶轮对称分布是多级高速泵较有效的轴向力平衡方法，但结构较复杂，因此也不是理想的轴向力平衡方法。
在本文中对平衡方法进行了相关的探讨。
1.离心泵工作原理及基本性能1.1工作原理离心泵起到主要作用的是叶轮，液体能量主要是依靠叶轮旋转来获得的，其减速液体动能在蜗壳中被收集起来，将液体所具有的动能转变成压力能，而起到压送液体的作用。
当离心泵内充满液体的情况下，叶轮旋转产生离心力，在离心力作用下叶道内部的液体借助于叶片的作用甩向外围流进泵壳，通过排出管排出；另外液体还会受到离心力的作用从中心高速向四周流动，于是叶轮的中心部位压力降低，形成真空状态，且低于大气压力；因此，液体在这个压力差的作用下，由吸液池进入泵内，使离心泵能连续不断地进而进行一系列液体的吸入和流出。
1.2离心泵基本性能（1）离心泵的特点是具有大流量，而且相对稳定，但是需要注意的是可能会随着扬程发生变化。
（2）扬程在这一原理中的主要作用就是决定了离心泵当中的叶轮外径，以及叶轮自身的转速大小。
（3）扬程不仅仅与叶轮的外径与转速有关系，还与轴功率与流量之间存在一种对应关系。
（4）离心泵的吸入高度通常比较小，在实际操作当中可能会出现汽蚀现象。
（5）具有很高的转速，而且如果相对流量比较低，那么就会降低效率，如果相对流量比较高，效率也就会提高。
离心泵轴向力的产生及平衡措施
许华峰
【摘要】分析离心泵轴向力产生的原因,根据具体实际情况采用平衡措施,有效减少泵的故障,为装置平稳运行创造有利条件,同时也降低了维修成本.
【期刊名称】《中国设备工程》
【年(卷),期】2015(000)012
【总页数】3页(P61-63)
【关键词】轴向力;平衡措施;轴向力计算
【作者】许华峰
【作者单位】山东天弘化学有限公司,山东东营 257000
【正文语种】中文
【中图分类】TH311
离心泵在运转时产生轴向力，流体作用在转子上的轴向力主要是由于其作用在叶轮两侧的压力分布不对称而引起的，此轴向力在工况稳定的情况下是一定值，即静态轴向力，设计时一般采用平衡装置将其平衡掉，剩余部分由止推轴承承担；而实际上，作用在止推轴承上的轴向力并不是固定不变的，运行工况、密封间隙、制造及装配误差等因素均会引起轴向力的变化，轴向力的变化部分称之为动态轴向力，而它是平衡装置无法平衡的。
加上各种轴向力计算公式理论上都存在着误差，静态轴向力的平衡也是不准确的。
这两方面是引起泵本身及电动机损坏的主要原因，极易造成作用在止推轴承上的轴向力过大或过小，轴向力过大则造成烧瓦、断轴、密封
隔板的损坏或增大止推轴承的摩擦，主轴、叶轮向进口方向移动致使叶轮与泵壳发生摩擦，电动机负载加大；如果轴向力过小，则会引起转子的前后窜动。
1.轴向力的产生
在离心泵中液体是在低压力P1下进入叶轮，而在高压力P2下流出叶轮。
由于出
口压力大于进口压力及叶轮前后盖板的不对称，使得叶轮两侧所受的液体压力不相等，因而产生了轴向推力，如图1所示。
从图1可以看出，作用在叶轮右边的压力为:P右=πr22P2;作用在叶轮左边的压力为：P左=πr12P1+π（r22-r12）P2。
式中r1、r2为叶轮的内、外圆半径，
ΔP=P右+P左=πr12（P1-P2）。
因P2＞P1，故ΔP是正值。
因此当离心泵运转时总有一个沿轴并指向吸入口的力作用在转子上。
叶轮入口部位是低压，而出口及叶轮背部是高压，在叶轮的前轮盖和后轮盖之间形成压差，这个压差就形成了轴向力。
由于不平衡轴向力的存在，使泵的整个转子向吸入口发生窜动，造成离心泵轴偏离原定位置，并使叶轮吸入口外圆与密封环产生摩擦，严重时离心泵不能正常工作，所以必须平衡轴向力，并限制转子的轴向窜动。
由于叶轮出口压力P2与叶轮进口压力P1之差值越大，叶轮产生的轴向力就越大；适当缩小前轮盖间隙，可使轴向力相应减少，当离心泵减负荷运行时，由于叶轮出口与进口压差增加，以及流体的冲击力减小，会导致轴向力增加，所以泵在减负荷运行时，要考虑止推轴承的承载能力。
目前对于离心式叶轮轴向力粗略的计算，可以采用以下公式，具体参数详见表1。
式中：Hi——单级叶轮杨程，m；
K——实验系数，如表1所示；
r——叶轮半径，m；
Rm——叶轮密封环半径，m；
rh——叶轮轮毂半径，m；
i——多级泵叶轮级数。
实际生产中，平衡轴向力的措施有很多，比如在叶轮上开平衡孔，在泵体上安装平衡管，采用背叶片方法，使用平衡盘装置等，可以根据实际情况采取相应的措施。
（1）叶轮上开平衡孔在叶轮后盖板上增加与前盖板上相同的密封环A，并在后盖板与吸入口相对的位置上对称开平衡孔，以降低叶轮背面C空间的压力，这样可减少叶轮两侧空间压差，平衡部分轴向力，见图2。
在离心泵运行中总结了平衡孔总截面积为密封环间隙(密封环间隙为0.1～0.25mm)环形截面积的3～6倍。
采用平衡孔措施，能够平衡80%左右的轴向力，克服了轴向窜动所产生的不良后果。
这种方法在单级单吸离心泵上应用效果显著。
在生产运行中对IS150-125-315清水离心泵，经常更换轴承、口环及轴承压盖，维修量很大并造成一定经济损失，增加了生产成本。
在查找原因中发现叶轮的平衡孔为φ6mm×6mm，经计算得出平衡孔面积远小于密封环间隙面积的3～6倍，轴向力没有被克服而引发的离心泵损坏。
在平衡孔采用φ8mm×6mm后，满足了平衡孔面积在密封环间隙面积的3～6倍之间，解决了轴向力不平衡问题，减少了维修量，同时也降低了成本。
（2）泵体上安装平衡管。
在泵体上装1根平衡管，使叶轮背面C空间与泵吸入口接通，并在叶轮后盖上装有密封环A，使叶轮两侧压力基本平衡，同样可以平衡轴向力，这种措施与叶轮开平衡孔基本相同。
（3）用背叶片方法平衡轴向力。
背叶片加在叶轮后盖板的外侧，形成一个吸入方向同叶轮入口相反的半开式叶轮，它的叶片形状大部分设计成径向的直叶片，它的剩余力仍然由轴承承担。
其计算可按如下经验公式进行：
式中：F——叶轮轴向力，N；
ω——背叶轮液体旋转角速度，s-1，ω'=0.5ω（1+t/s）；
Rt——背叶片外半径，m；
Rh——轮毂半径，m；
s——泵壳与叶片的平均距离、距离，mm；
t——背叶片平均宽度，通常取t=5～8mm。
（4）平衡盘装置。
多级泵因其高压输送能力大，但在工作中所产生轴向力也较大，常用平衡盘来平衡轴向力。
平衡盘装置是由装在泵轴上的平衡盘和固定在泵壳上的平衡环组成，安装在多级泵末级叶轮后面，见图3。
图3 中平衡盘与平衡环之间有轴向间隙b;在平衡盘与平衡套之间有径向间隙b0；平衡盘后面的平衡室与泵吸入口采用平衡管连接。
泵启动后，由多级泵末级叶轮流出来的高压液体流入径向间隙b0，压力下降到P1，在流过轴向间隙b，压力下降到P0，因P1＜P0就有压力作用在平衡盘上，这个力就是平衡力，方向与作用在
叶轮上轴向力方向相反，达到平衡作用。
离心泵工作时，当叶轮上的轴向力大于平衡盘上的平衡力时，泵的转子就会向吸入口窜动，使平衡盘的轴向间隙减小，增加流体流动阻力，而减小泄漏量，泄漏量减小后，液体流过径向间隙的压力减小，从而提高平衡盘前面压力，即增加了平衡盘上的平衡力。
随着平衡盘向左移动，平衡力增强，当平衡盘移到某一位置时，平衡力与轴向力相等，达到平衡。
同样，当轴向力小于平衡力时，转子会向吸入口反向移动，达到新的平衡点。
在实际工作中，当泵的工作指标改变时，转子会自动移到平衡位置作轴向移动。
因此，平衡盘装置有自动平衡轴向力的优点。
在生产运行中对DG46-50×10多级锅炉给水泵进行维护改造。
改造前泵经常发生振动，出现噪声过大、过热等现象，平衡盘面磨损更换频繁，在查找原因过程中对径向间隙b0和轴向间隙b进行调整。
原径向间隙为0.35mm，安装后零件之间配合间隙过小，满足不了高压液体通过径向间隙进入平衡室，因而压力下降，平衡盘没有被推开而产生振动，将原间隙扩至0.45mm后，满足高压液体泄漏量，增大
液体压力而产生平衡力，保证平衡盘正常运转。
轴向间隙安装后保留0.2mm左右，
使其具有一定的泄漏量来完成轴向力与平衡力的平衡过程。
调整后泵在运转中非常稳定未发现异常现象。
根据以上的分析及平衡措施，在实际工作中的应用，解决了一些实际问题，从而减少了因轴向力的产生而导致的损坏，并且提高了泵的工作效率。
【相关文献】
[1]薛敦松.石油化工厂设备检修手册第五分册泵.北京：中国石化出版社，1997ISBN7-80043-680-
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[2]楼宇新.化工机械制造工艺与安装修理[M].北京:化学工业出版社，1988:338-339.。
