离心泵的轴向力径向力平衡

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。

第10讲：轴向力径向力及平衡10.1 轴向力产生的原因1.泵在运转时，叶轮前后盖板压力不对称产生轴向力，其力的方向指向吸入口方向。

2.动反力：液体从吸入口到排出口改变方向时作用在叶片上的力，该力指向叶轮后面。

3.泵内叶轮进口压力与外部大气压不同在轴端和轴台阶上产生的轴向力。

4.立式泵转子重量引起的轴向力，力的方向指下面。

5.其它因素：泵腔内的径向流动影响压力分布；叶轮二侧密封环不同产生轴向力。

10.2 轴向力的计算10.2.1 叶轮前后盖板不对称产生的盖板力A1假设盖板二侧腔的液体无泄漏流动，并以叶轮旋转角速度之半ω/2旋转，则任意半径R 处的压头h‘为：h‘＝（ω2/8g）（R22－R2）R2－叶轮外径半径假定叶轮进口轴面速度与出口轴面速度相等，V m1＝V m2，进口圆周分速度V u1＝0叶轮出口势扬程H P=H T－（（g H T/u2）2/2g）= H T（1－（g H T//2u22）叶轮后盖板任意半径处，作用的压头差为：h＝H P－h‘＝H P－（ω2/8g）（R22－R2）将上式二侧乘以液体密度ρ和重力加速度g，并从轮毂半径积分到密封环半径，则得盖泵轴向力A1＝πρg(R m2－R h2)［H P－（ω2/8g）（（R22－（R m2＋R h2）/2））］10.2.2 动反力A2A2=ρQ t（V mo－V m3COOα）（N）其中ρ－流体密度（Kg/m3）Q t－泵理论流量V mo V m3 －叶片进口稍前和出口稍后的轴面流速α－叶轮出口轴面速度与轴线方向的夹角10.2.3 总的轴向力：A= A1－A2对多级泵：A＝（i －1）（A C）+ A S i－叶轮级数A C－次级叶轮轴向力A S－首级叶轮轴向力按上述方法计算得到的轴向力，通常比实际的要小15～20％。

对泵吸入口对大气有压力的，必须计入轴头和轴肩园截面上产生的轴向力。

对立式泵还应计入转子的重量。

10.3 轴向力的平衡10.3.1 平衡轴向力的主要方法：1.采用推力轴承平衡轴向力2.用平衡孔平衡轴向力3.单级泵采用双吸叶轮平衡轴向力，多级泵采用叶轮背靠背对称布置平衡轴向力。

离心式压缩机的平衡管的作用
离心式压缩机的平衡管的作用
答：离心泵运转时，会产生轴向力。

离心式压缩机的平衡管轴向力产生的原因：
1）液体从叶轮入口流到出口，因流体的流动方向由轴向变为径向，所以在叶轮上产生反作用力。

2）叶轮两侧的液体压力不对称。

由于轴向力的作用，可以使叶轮产生位移，改变了叶轮和溢流道的同心度，使流量减少，扬程降低，严重时叶轮和泵体发生摩擦，直至发生设备事故。

平衡管就是用来消除或减小轴向力的。

消除或减小离心泵轴向力的其他措施：
1）对称安装多级泵的叶轮；
2）装平衡盘；
3）采用双吸叶轮；
4）在单级泵的叶轮上开平衡孔；。

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。

离心泵一、问答题1．离心泵的扬程是什么意义？其单位是什么？样本上常用单位是什么？两者的关系是什么？ 答：单位质量的液体，通过泵所获得的有效能量。

单位：J/kg ；常用单位：m ；提高液体的位置高度，而且克服液体在输送过程的流动阻力，以及提高液体的静压能和速度能等。

2．离心泵的主要过流部件是哪些？吸入室、叶轮及排出室<又称蜗壳） 3．离心泵开泵前为什么要灌泵？泵内不充满被输送液体，不能产生足够的离心力，也就没有吸力，不能吸液，必须要灌泵。

4．H T ∞与哪些因素有关？仅与液体在叶片进口和出口速度有关； 为什么说它与介质性质无关？H T ∞=1/g<u 2c 2u ∞-u 1c 1u ∞） 5．H u u w w c c T ∞=-+-+-221212222212222中哪是静、动扬程，由什么作用产生的？6、静扬程H pot 在理论扬程H t ∞中所占的比例称为反作用度；反作用度越大越好；与β2A 有关； 7．离心泵中主要是哪种叶片？为什么？βA2大致范围是多少？8．汽蚀的机理如何？有何危害？9．如何判别是否发生了汽蚀？10．如何确定离心泵的几何安装高度？11．常减压装置中减压塔的基础为什么比常压塔基础高？ 12．如何从装置方面防止汽蚀发生？生产操作中要注意哪些问题？13．用ρρvs sa p c p h -+=∆22和()p p c Z h sAs g f A Sρρ=----22说明如何防止汽蚀？14．离心泵几条特性曲线？各特性曲线有何特点、有何用途？15．离心泵开泵前要关闭出口阀？16．离心泵中主要有哪些损失？各影响哪些工作参数？17．介质密度对离心泵的H 、Q 、N 、η四个参数中的哪些有影响？在生产中如何注意该种影响？18．离心泵中流量损失产生在哪些部位？流量损失与扬程有无关系？用曲线图表示。

19．离心泵中机械损失由哪几部分组成？20．写出离心泵效率η的表达式。

它与ηv 、ηh 、ηm 有何关系？ 21．输送粘度较大的液体时离心泵的H 、Q 、N 、η、Δh r 如何变化？22．写出离心泵相似定律的表达式。

离心泵基础知识工作原理在化工和石油部门的生产中，原料、半成品和成品大多是液体或气体，而将原料制成半成品和成品，需要经过复杂的工艺过程，在这个过程中需要输送这些液体或气体，为这些工艺过程提供所需的压力和流量，输送液体的动设备习惯上称之为泵类；输送气体的动设备习惯上称之为压缩机类。

泵与压缩机有很多的种类，按照泵与压缩机的工作原理可以分为速度式与容积式，在速度式中，又可以分为叶片式与喷射式，叶片式又可以分为离心式、混流式、轴流式，最常见的是离心式；容积式可以分为回转式与往复式，往复式本可以分为活塞式与隔膜式。

一、离心泵1.离心泵的工作原理叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。

泵壳中央有一液体吸入管4与吸入管5连接。

液体经底阀6和吸入管进入泵内。

泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

2. 气缚现象当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。

从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。

为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。

3. 离心泵的结构3.1 泵壳泵壳有轴向剖分式和径向剖分式两种。

大多数单级泵的壳体都是蜗壳式的，多级泵径向剖分壳体一般为环形壳体或圆形壳体。

离心泵设计摘要：本设计采用的是双级单吸式离心泵结构。

泵由电动机通过联轴器直接传动，使液体压力得到升高，达到输送液体的功能。

叶轮是泵的核心部分，主要采用一元理论设计方法设计，得到了流道流线较好的叶轮。

轴根据满足强度条件计算得到最小轴径，设定安装叶轮处轴径，结构为阶梯轴。

当装配图的总体结构尺寸确定后，进行了轴的强度，刚度，及临界转速的校核。

吸入室采用直锥型吸入室，压出室选用螺旋形压出室。

叶轮背后设有背叶片平衡了部分轴向力，余下的小部分轴向力又轴承来平衡；径向力，由于泵的径向力本来就不大，所以无需采用专门的平衡措施。

轴封采用填料密封。

不仅能满足密封要求，而且结构简单便于维修。

根据轴所受的径向力和轴向力来选择恰当的轴承，并配制润滑，密封措施。

其余标准件按目标选用，并作相应校核。

关键词：离心泵；泵的水力设计；泵的结构设计；叶轮Light Hydrocarbon Pump DesignAbstract: the designed pump is a double-stage, single-suction centrifugal pump. It is driven directly by an electromotor to increase fluid pressure and transport the fluid. Its impeller which was designed with one-dimension flow theory has good stream line. The shaft was designed according to strength condition and get least diameter where fix impeller of axle, and the shaft was design to a stepped shaft. The gross structure of assembly dreading was ascertain, and then check the intensity, rigidity and critical speed. Suction chamber adopt right cone sop chamber, while pumping chamber adopt spirally extrude chamber . Behind the impeller used some laminate to equation parts of the axial force, and the lest axial force was equaled by bearing. Because the radial force is not to high so there is no need to adopt some special equilibrium measure . Shaft gland adopt packing seal. not only be able to satisfaction the require of the pressurize, but also the structure is simple to be repaired. select the correct bearing by the radial force and the axial force, and select the correct lubricate and pressurize way .the rest building block was adopt by GB, and do the homologize check.Keyword：Centrifugal pump；Hydraulic pump design；The structural design of pump；Impeller目录1 绪论 (7)2 离心泵的水力设计 (8)2.1确定泵型 (8)2.2叶轮的设计 (8)2.2.1 提供设计的数据和要求 (8)2.2.2 确定泵的总体结构形式和泵出口直径的确定 (8)2.2.3 泵转速的确定 (9)2.2.4 泵比转数n s的计算 (9)2.2.5 估算泵的效率 (9)2.2.5.1 水力损失和水力效率 (9)2.2.5.2 容积损失和容积效率ΗV (10)2.2.5.3 机械损失和机械效率 (10)2.2.6 电动机的选择 (11)2.2.7 初定叶轮的主要尺寸 (11)2.2.7.1 轴径和轮毂直径的确定 (11)2.2.7.2 叶轮进口直径 (12)2.2.7.3 叶片出口宽度 (13)2.2.7.4 叶轮外径 (13)2.2.7.5 叶片出口角和叶片 (13)2.2.8 精算叶轮出口直径 (13)2.2.8.1叶片出口排挤系数 (13)2.2.8.2理论扬程 (13)2.2.8.3叶片修正系数 (14)2.2.8.4 无穷叶片数理论扬程 (14)2.2.8.5 叶片出口轴面速度 (14)2.2.8.6 叶片出口圆周速度 (14)2.2.8.7 叶轮出口直径 (15)2.2.8.8 第二次精算叶轮出口直径 (15)2.2.8.9 第三次精算叶轮出口直径 (15)2.3叶片绘型 (16)2.3.1 计算叶片进口速度 (16)2.3.2 叶片进口角 (16)2.3.3 叶片厚度 (17)2.3.4 叶片前后盖板的设计 (17)2.3.5叶片的绘型 (18)2.3.5.1作轴面投影图 (18)2.3.5.2作叶轮平面投影图——双圆弧法 (19)3 离心泵压出室和吸入室的设计 (21)3.1离心泵压出室的设计 (21)3.1.1 压出室的作用和要求 (21)3.1.2 螺旋式压出室断面的计算 (21)3.2离心泵吸入室的设计 (24)4 离心泵中的轴向力、径向力及其平衡 (25)4.1泵中离心的轴向力的计算及其平衡 (25)4.1.1 轴向力的计算 (25)4.1.2 轴向力的平衡 (26)4.2泵中离心的径向力的计算及其平衡 (26)4.2.1泵中离心的径向力 (26)4.2.2 径向力的平衡 (27)5 泵轴的校核 (29)5.1泵壳的材料选用 (29)5.2泵轴的校核 (29)5.2.1 轴强度的校核 (29)5.2.1.1 作轴的受力简图 (30)5.2.1.2 作弯矩图 (31)5.2.1.3 危险截面的当量弯矩 (31)5.2.1.4 计算危险截面处轴的直径 (31)5.2.2轴的临界转速计算 (33)6 泵密封﹑轴承﹑联轴器的设计 (35)6.1密封 (35)6.2.1 轴承的选取 (35)6.2.2 轴承的密封 (35)6.2.3 轴承的校核 (36)6.2.3.1 轴承的当量动载荷P (36)6.2.3.3 轴承的当量静载荷 (36)6.2.3.4 轴承端盖的设计 (36)6.3联轴器的选择及校核 (37)6.3.1 联轴器的选择 (37)6.3.2 联轴器的校核 (38)7 其它零件的设计 (39)7.1键的设计与校核 (39)7.1.1 键的设计 (39)7.1.2 键的校核 (39)7.2叶轮口环的设计 (39)7.3泵体密封环的结构设计 (40)8 结论 (41)参考文献 (42)致谢 (43)附录A (44)附录B (47)附录B (48)1 绪论泵是世界上最早发明的机器之一。

第七章轴向⼒径向⼒及其平衡图7—1 轴向⼒计算原理图第七章轴向⼒径向⼒及其平衡第⼀节产⽣轴向⼒的原因及计算⽅法泵在运转中，转⼦上作⽤着轴向⼒，该⼒将拉动转⼦轴向移动。

因此，必须设法消除或平衡此轴向⼒，⽅能使泵正常⼯作。

泵转⼦上作⽤的轴向⼒，由下列各分⼒组成：1．叶轮前、后盖板不对称产⽣的轴向⼒，此⼒指向叶轮吸⼊⼝⽅向，⽤1A 表⽰；2．动反⼒，此⼒指向叶轮后⾯，⽤2A 表⽰；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3A 表⽰；4．转⼦重量引起的轴向⼒，与转⼦的布置⽅式有关，⽤4A 表⽰；5．影响轴向⼒的其它因素。

下⾯分别计算各轴向⼒。

⼀. 盖板⼒1A 的计算(图17—1)由图可知，叶轮前后盖板不对称，前盖板在吸⼊眼部分没有盖板。

另⼀⽅⾯，叶轮前后盖板象轮盘⼀样带动前后腔内的液体旋转，盖板侧腔内的液体压⼒按抛物线规律分布。

作⽤在后盖板上的压⼒，除⼝环以上部分与前盖板对称作⽤的压⼒相抵消外，⼝环下部减去吸⼊压⼒1P 所余压⼒，产⽣的轴向⼒，⽅向指向叶轮⼊⼝，此⼒即是1A 。

假设盖板两侧腔的液体⽆泄漏流动，并以叶轮旋转⾓速度之半2ω旋转，则任意半径R 处的压头h '为(推导见⼗⼋章))R R (g)u u (g g )u (g )u (h h h 22222222228812222-=-=-='''-''='ω（7—1）叶轮出⼝势扬程，当假定21m m v v =，01=u v 时，为 g)v v ()v v (H g v v H g p p H u m u m t t p 222121222222212+-+-=--=-=ρ g)u gH (H g v H t u t 2222122-=-= 即 )u gH (H H t t p 2221-= （7—2）叶轮后盖板任意半径处，作⽤的压头差为)R R (g H h H h p p 22228--='-=ω将上式两侧乘以液体密度ρ和重⼒加速度g ，并从轮毂半径积分到密封环直径，则得盖板轴向⼒1A--==m h m h R R p R R RdR )]R R (gH [g g RdRh A 22221822ωπρρπ )R R (g g )R R (g gR )R R (gH h m h m h m p 482282224422222222-+---=ωπρπρωπρ即 )]R R R (g H )[R R (g A h m p h m 2822222221+---=ωπρ（7—3）这部分轴向⼒也可很⽅便地按压⼒体体积来计算。

离心泵叶轮轴向力自动平衡新方法摘要：离心泵的作用是抽吸输送液体，原动机可提供机械能，而离心泵能够将机械能转变为液体动能以及压力能，为液体提供一定的压力，使得液体在流动过程中能够克服阻力。

在离心泵运行过程中可产生轴向推力，可对离心泵产生较大冲击，使得离心泵振幅增加，要求采用适宜的平衡方式进行调节。

对此，本文首先对轴向推动力的产生原因进行介绍，然后对离心泵叶轮轴向力自动平衡方法进行探究。

关键词：离心泵；叶轮；轴向力；平衡在流体机械中，离心泵的应用比较常见，在离心泵运行过程中，叶轮会形成轴向力，与离心泵转轴的轴心保持平行，可对离心泵运行稳定性以及使用年限造成不良影响。

另外，如果轴向力比较大，还会导致轴承被烧毁，密封性能受到严重破坏，因此，需对离心泵轴向力进行有效控制，保证离心泵处于稳定运行状态。

一、轴向推力的产生（一）作用在叶轮前、后盘上的压力不平衡。

单机叶轮轴向力作用形式如图1所示，在叶轮入口位置，压强比较低，为低压P1，而出口位置压强比较高，为高压P2，在离心泵运行中，叶轮持续旋转，并流出高压水，部分高压水通过间隙回流至叶轮前后盘外侧。

在叶轮半径R2至缝隙R1之间，前后轮盘压强分布为对称分布形式，并且可相互抵消，而在缝隙R1与轮毂半径Rg之间，叶轮左侧为入口低压，而右侧为出口高压，因此，在叶轮两侧压强并不平衡，此时即可产生轴向推力。

图1 单级叶轮轴向推力（二）叶轮内水流动量发生变化。

当水在叶轮内流动时，速度方向可沿轴向逐渐转变为径向，随着速度不断发生变化，动量也会随之变化，进而对叶轮产生较大冲击力。

通常情况下，这一冲击力比较小，如果与叶轮前后轮盘所受到的压力处于不平衡状态，则会产生轴向力。

（三）大小口环磨损严重。

随着离心泵使用年限的不断增加，大小扣环磨损越来越严重，泄漏量持续增加，与此同时，叶轮前后轮盘压强分布也随之调整，导致轴向力增加。

通常情况下，这一轴向力比较小，但是，如果离心泵处于非正常运行状态，则轴向力比较大[1]。