1离心泵轴向力产生和计算

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。二、轴向力的分析、计算1盖板力F1由图可知，叶轮前后盖板不对称，前盖板在吸入口部分没有盖板，另一方面，叶轮前后盖板像轮盘一样带动前后腔内的液体旋转，盖板侧墙内的液体压力按抛物线规律分布。盖板力计算公式是在比较理想的状态下推导出来的。假设盖板两侧无径向流动，作用在盖板上的压力，除口环以上部分与前盖板对称作用的压力相互抵消。其计算公式为：2222221()[()]82mhmhpRRwFgRRHRg其中1F——轴向力，N——液体密度，Kg/m3g——重力加速度，m/s2R——叶轮半径，mRm——叶轮密封环处半径，mRh——叶轮后轴颈或级间套处半径，mHp——叶轮出口势扬程，mw——叶轮旋转角速度，rad/s1122(1)2pgHHHu其中1H——叶轮单级扬程，m2u——叶轮出口的圆周速度，m/s2动反力F2液体通常沿轴向进入叶轮，沿径向或斜向流出。液流通过叶轮其方向发生变化，是因为液体受到叶轮作用力的结果。反之，液体给叶轮一个大小相等，方向相反的反作用力，即为动反力，方向指向叶轮背后。2tm0m3Q(-)cosF其中ρ——液体密度，Kg/m3Qt——泵理论流量，m3/sm0m3、——叶片进口稍前，出口稍后的轴面速度，m3/s——叶轮出口轴面速度与轴线方向的夹角。3一般离心泵，轴向力估算公式F或'F221whFkgHRRi其中F——总的轴向力，NH1——泵单级扬程，mRw——叶轮密封环半径，mRh——叶轮轮毂半径，mi——泵级数K——系数，当泵比转数ns=30~100时，k=0.6；当ns=100~220时，k=0.7；当ns=240~280时，k=0.8。221'(1)()2whrHFgkHRRiH其中F´——总的轴向力，NH——任意工况点的扬程，mHr——设计工况点的扬程，mRw——叶轮密封环半径，mRh——叶轮轮毂半径，mi——泵级数k——系数，当ns=60~100时，k=1.1；当ns=120~200时，k=0.83。4半开式叶轮轴向力F1的计算222221h2()163phpmmwFgRRHRRgHRRRg其中F1——总的轴向力，NHp——叶轮出口势扬程，mR——叶轮半径，mRw——叶轮密封环半径，mRh——叶轮轮毂半径，mw——叶轮旋转角速度，rad/sRm——叶轮密封环处半径，m5混流泵叶轮轴向力F1的计算2222222122202()()()16hhphhphwFgRRHRRgHRRg222222020()()16mpmwgRRHRRg6混流半开式叶轮轴向力1F的计算2222222122202'()()()16hhphhphwFgRRHRRgHRRg211212()()3phhhhhgHRRRRR7轴台、轴端等结构因素引起的轴向力3F如右图所示，悬臂式离心泵当轴头吸入压力和大气压力不同时引起的轴向力，特别当泵的进口压力比较高时，作用在轴头上的轴向力数值就比较大了，其计算公式如下:)(432athPPdF其中Pt——泵进口压力（绝对压力）；Pa——大气压力；dh——填料处的轴径。8对称布置叶轮由于轴细部结构不同引起的轴向力3F右图为两级泵，第一级叶轮进口的压力为P0，经过一级增加一个压力PgH（H为单级扬程）。311010()()()msmhFAAPAAPP20220()(2)()()mhmsAAPPAAPP通常12mmAA，12ssAA，那么3()hsFPAA负号表示3F方向指向第一级叶轮进口，多级泵可以用类似方法进行相加，求出轴向力3F。9立式泵在计算轴向力的时候，应考虑转子的重量和转子中的液体的重量。三、结语综上所述，不同结构形式的离心泵在运行过程中都会产生作用在转子上的轴向力，这些轴向力的合力将拉动转子轴向移动，因此必须消除或平衡掉这些轴向力，在离心泵的设计过程中可通过计算转子的轴向力大小来确定平衡装置的结构形式和几何尺寸。