课题二 离心泵的径向推力、轴向推力及其平衡方法
轴向力径向力及其平衡 PPT
任意半径R 处的压头 h h h h (u 2 2 2 g )2(2 u 2 g )28 1 g(u 2 2u2)8 g 2(R 2 2R 2)
假设：vm1 vm2 vu1 0
H p p 2 g p 1 H t v 2 2 2 g v 2 H t (v m 2 2 v u 2 2 ) 2 g (v m 2 1 v u 2 1 )
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混流泵叶轮轴向力 的计算 当原动机带动叶轮旋转后，对液体 的作用既有离心力又有轴向推力， 是离心泵和轴流泵的综合，液体斜向流出叶轮。
A1F3F1F2
F3(R220R22h)g H p
F1 (R22h Rh2)gHp 12(R22h Rh2)g8g2 (R22h Rh2)
2
(R 2 2hR h 2) g[H p1g 6(R 2 2hR h 2)]
( R m 2 R h 2 )g ( H p 8 g 2 R 2 2 8 g 2 R h 2 ) 1 2 ( R m 2 R h 2 )g 8 g 2 ( R m 2 R h 2 )
(R m 2R h 2) g[H p8g 3(R 2 2R m 2 2R h 2)]
半开式叶轮轴向力 的计算
三.双吸叶轮
使用双吸叶轮由于结构对称，能平衡轴向力。 但由于制造误差，或者两边密封环 磨损不同会存在一定的残余轴向力。
四.背叶片平衡轴向力
已知未加背叶片的时候轴向力大小为
A 1 g(R m 2R h 2)H [p8g 2(R 2 2R m 2 2R h 2)]
加背叶片后，背叶片强迫液体旋转，液体的旋转角度增加。后侧的压力 水头如曲线AGK所示，它和线AGF相差的曲线既为背叶片平衡的轴向力。
2gp ( H R m 2 2 R h 2 )2 2 8 g g 2 2 ( R m 2 2 R h 2 ) 2 8 g g 2 ( R m 4 4 R h 4 )
离心泵轴向力的产生及平衡措施
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。
离心泵轴向力分析和平衡方法探讨 曹昆朋
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。
单级离心水泵轴向力该如何均衡
单级离心水泵轴向力该如何均衡
单级离心水泵包含泵体，泵盖，带输出轴的电机，在泵体内装设的泵轴、轴承座、叶轮、机封与机封压盖。
而单级离心水泵在运作的流程中，介质从叶轮中间吸入，而延与其大概垂直的方向在离心力的用处下甩出，在与轴同向的介质引入的时候会发生一个轴向力。
单级离心水泵轴向力的均衡办法有：
一、在小型单级离心水泵中使用推力滚动轴承来平轴向力。
二、使用均衡孔法：在叶轮的后盖板上开有，从叶轮出口流出的介质，经过后盖板上的均衡孔流的吸入口，使用处在叶轮吸入面上的压头与用处在后的压头基本相等。
为了解除由于加工误差引起的轴向力，可在泵上装配止推轴承。
三、均衡管法：这种办法是将高压侧密封环泄露出的介质，经过一根外接管路返回泵的吸人口，这根管路称为均衡管，工作原理与均衡孔法基本相同。
四、使用双吸叶轮：使用双吸叶轮时，作在叶轮盖板两侧压头p排相同，用处在叶轮两侧吸人面上压p吸相同，基本上解除了轴向力。
另外，可在泵上装配止拍承来克服由于加工误差而引起的轴向力。
单级离心水泵轴向力的大小对泵的平稳运作有直接关系，其决定推力缝隙的大小，往往轴向力的均衡处在一种动态的均衡中，需要有均衡鼓及均衡盘承受轴向力使其在合理的窜动量间平稳运作。
因而调控、定位均衡盘缝隙的大小就成了泵运作的一个关键原因。
轴向力径向力及其平衡PPT课件
5．影响轴向力的其它因素。
.
2
一.产生盖板力 A1 的原因
离心泵工作时，由于叶轮两侧液体压力分 图1离心泵轴向力示意图 布不均匀，如图1所示，而产生一个与轴线 平行的轴向力，其方向指向叶轮入口。
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3
计算过程
假设： 1.盖板两侧腔的液体无泄漏径 向流动 2.盖板两侧液体以叶轮旋转角
2gp ( H R m 2 2 R h 2 )2 2 8 g g 2 2 ( R m 2 2 R h 2 ) 2 8 g g 2 ( R m 4 4 R h 4 )
A 1 g(R m 2R h 2)H [p8g 2(R 2 2R m 2 2R h 2)]
按压力体体积来计算
A1 ＝圆柱体重量十抛物体重量
A3p(AhAs2)
P g H
H为单级扬程
.
10
四.影响轴向力的其它因素
1.叶轮前后盖板泵腔内的径向流
前泵腔总是存在着内向径向流，后泵 腔的惰况有所不同，一般无平衡孔的单 级泵则无径向流，有平衡孔时存在内向径向流，多级泵因级间泄漏而存 在外向的径向流。对不同的泵，按内向流压力减小，外向流压力增加来 分析对轴向力的影响。
一、推力轴承 对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力，通常是简单而经济 的方法。即使采用其它平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也 装设推力轴承。
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12
二.平衡孔或者平衡管
在叶轮后盖板上附设密封环，密封环所在直径 一般与前密封环相等，同时在后盖板下部开 孔，或设专用连通管与吸入侧连通。由于液 体流经密封环间隙的阻力损失，使密封下部的 液体的压力下降，从而减小作用在后盖板上 的轴向力。
三.双吸叶轮
使用双吸叶轮由于结构对称，能平衡轴向力。 但由于制造误差，或者两边密封环 磨损不同会存在一定的残余轴向力。
轴向力径向力及其平衡
ab
R22
Re
2
)
ac
H
P
2
8g
( R2 2
R2
)
ab
HG
2
8g
( Re 2
R2
)
可以得bc……省略
将bc从轮毂Rh
积Re 分到 得到平衡方程
F1
Re Rh
bc
g
2R
dR
3 2
16 g
g
Re 2
Rh2
2
或
F1
3 8
(
Ae
Ah
)
1 2g
(ue 2
uh2 )g
上面的计算是基于叶片端部和壳体的间隙很小时，但间隙大时 液体转'速 (应1该t ) 为
Ht
(gHt u2 )2 2g
Hp
H t (1
gHt 2u22
)
叶轮后盖板任意半径处，作用的压头差为
h
H
p
h
H
p
2
8g
( R22
R2)
将上式两侧乘以液体密度和重力加速度 ，并从轮毂半径积分到密
封环直径，则得盖板轴向力
A1
Rm 2RdRhg
Rh
2 g
[ H Rm
Rh
p
2 8g
( R22
R 2 )]RdR
双吸泵从理论上讲无轴向力作用，由于上述原因，当两侧密封环 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
第二节 轴向力的平衡
危害:如果不设法消除或平衡作用在叶轮上(传到轴上)的轴向力，此 将拉动转子轴向串动，与固定零件接触，造成泵零件的损坏以至不
一、推力轴承 对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力，通常是简单 的方法。即使采用其它平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力， 装设推力轴承。
离心泵轴向力平衡方法全解
离心泵轴向力平衡方法全解 1 / 4
离心泵轴向力平衡方法汇总
如果不设法消除或平衡作用在叶轮上（传到轴上）的轴向力，此轴向力将拉动转子轴向串动，与固定零件接触，将造成泵零件的损坏以致不能工作。
一般常
用以下7种方法来平衡泵的轴向力。
1. 推力轴承
对于轴向力不大的小型泵，采用推力轴承承受轴向力，通常是简单而经济的方法。
即使采用其他平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也装设推力轴承。
2. 平衡孔或平衡管
在叶轮后盖板上附设密封环，密封环所在直径一般与前密封
环相等，同时在后盖板下部开孔，或设专用连通管与吸入侧连通。
由于液体流经密封环间隙的阻力损失，使密封下部的液体的压力下降，从而减小作用在后盖板上的轴向力。
减小轴向力的程度取决于孔的数量和孔径的大小。
在这种
情况下，仍有10~15%的不平衡轴向力。
要完全平衡轴向力必须
进一步增大密封环所在直径，需要指出的是密封环和平衡孔是相辅相成的，只设密封环无平衡孔不能平衡轴向力；只设平衡孔不设密封环，其结果是泄漏量很大，平衡轴向力的程度甚微。
采用这种平衡方法可以减小轴封的压力，其缺点是容积损失增加（平衡孔的泄漏量一般为设计流量的2~5%）。
另外，经平衡孔的泄漏流与进入叶轮的主液流相冲击，破坏了正常的流动状态，会使泵的抗汽蚀性能下降。
为此，有的泵体上开孔，通过管线与吸入管连通，但结构变得复杂。
采用上述平衡方法，轴向力是不能达到完全平衡的，剩余轴向力需由泵的轴承来承受。
用平衡孔平衡轴向力的结构使用较广，不仅单级离心泵上使用，而且多级离心泵上也使用。
1-1推力轴承 1-1平稳孔
2-2平衡管。
第3章第4-5节离心式水泵轴向推力、汽蚀
第三章离心式水泵第四节离心式水泵的轴向推力及平衡方法一、轴向推力产生的原因1、作用在叶轮前后轮盘上的压力不平衡。
2、叶轮内水流动量发生变化。
3、大小口磨损严重。
离心式水泵的轴向推力由以上三方面的原因产生的。
二、轴向推力的大小经验公式F i=kH iρgπ(R12-R g2)（i为水泵的级数）对于单吸多级离心式水泵 F=iFi三、轴向推力的危害随着级数的增加，轴向推力也增大，致使整个转子向吸水侧移动的距离增加，使相互对正的叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击和振动，减少流量，影响泵的效率，严重时可使叶轮与泵壳发生摩擦和碰撞，轴承发热，甚至损坏，导致水泵无法正常工作。
四、轴向推力的平衡方法1、平衡孔与平衡管这种方法结构简单，不能完全平衡轴向推力，必须与止推轴承配合使用。
另外，此法会使水泵的效率降低4%～6%，一般用于小型单吸离心泵。
2、对称布置叶轮优缺点：工作可靠，效率高，便于清洗和检修，有利于排除混水。
但泵的制造较复杂，流道长，叶轮排列松散，泵的轮廓尺寸较大。
3、双吸式叶轮4、平衡盘原理：平衡力可以随轴向推力的大小变化而变化，并达到自动平衡。
缺点：平衡盘容易磨损，泄漏量大，会降低泵的容积效率，一般常用于D 型泵，DA型泵中。
5、背叶片优点：可防止或减少泥沙进入中间密封环，减少磨损，从而减少泄漏。
而且结构简单，制造方便，加工容易，对单级水泵效率影响较小。
第五节离心式水泵的汽蚀一、汽蚀现象对泵工作的影响1、汽蚀现象：当离心泵工作时，入口处压力很低，部分液体汽化生成大量气泡，随液体进入叶片时，由于压力升高，气泡又随即急剧冷凝而产生局部真空，瞬时内周围液体即以极高的速度冲向这些凝聚处，在冲击点处压力高达几百个大气压，而冲击频率又可达到极高的程度，再加上可能产生的化学腐蚀作用，长期下去就会使叶片出现斑痕和裂缝而过早损坏，因此我们把汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为离心泵的汽蚀现象（或空蚀）。
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流量小于设计流量
流量大于设计流量
2、径向推力的平衡 泵在启动或非设计工况下运行时会产生径向推力，且是 交变应力，会使轴产生较大的挠度，甚至使密封环、 级间套、轴套、轴承发生摩擦而损坏。对转轴而言，径 向推力是交变载荷，容易使轴产生疲劳破坏，故必须设 法消除径向推力。 一般采用对称原理法。 （1）采用双层压出室或双压出室 （2）大型单级泵在蜗壳内加装导叶 （3）多级蜗壳泵可以采用相邻两级蜗壳倒置的布置。
2、多级泵轴向推力的平衡 （1）采用叶轮对称排列
多级离心泵各叶轮产生的扬程基本相等， 当叶轮为偶数时，只要将其对称布置即 可，当叶轮为奇数时，首级可以采用双 吸叶轮，此法平衡多级泵的轴向推力效 果较好，但泵壳结构较复杂。
多用于涡壳式多级泵，有时也在节段式多级泵 和潜水泵使用
（2）采用平衡盘 平衡盘装置装在未级叶轮之后，和轴一起旋转， 在平衡盘前的壳体上装有平衡圈。平衡盘后的腔室 称为平衡室它与泵的吸入室相连。
• 平衡盘可以自动平衡轴向力，平衡效果好，可 以平衡全部轴向力，并可以避免泵的动静部分 的碰撞和摩损，结构紧凑等优点，故在多级离 心泵中广泛采用。但是泵在启动时，由于未级 叶轮出口处的压强尚未达到正常值，平衡盘的 平衡力严重不足，故泵轴将向泵吸入口窜动， 平衡盘与平衡座之间会产生摩擦造成磨损，停 泵时也存在平衡力不足现象，因此给水泵都配 有推力轴承。
二、轴向推力及其平衡方法
（一）轴向推力的产生 离心泵在运行时，泵内液体作用在叶轮盖板两侧上轴向不平衡 的合力，称为轴向推力。 泵的轴向推力主要是 1）叶轮两侧压强不对称产生的轴向力F1
2）在离心泵叶轮中，液体通常是轴向流入，径向 流出，流动方向的改变会对叶轮产生一个轴向动 反力F2.
故作用在单级卧式离心泵上的总轴向推为 F=F1-F2 若是多级卧式离心泵，级数z，则F=Z(F1-F2) 3）若是立式，叶轮吸入口向下，则加上转子重量F3。 F=Z(F1-F2)+F3 轴向推力F1在总的轴向推力中起重要作用。泵与Biblioteka 机第二章 叶片式泵与风机的构造
大唐淮北职业技术培训基地 冯诗化
第二节 径向推力、轴向推力及其平衡方法
一、径向推力及其平衡方法 1、径向推力的产生 离心泵运行时，泵内液体作用在转轴叶轮上径向不平衡的合力称径向推力。 对螺旋形压出室的离心泵， （1）在设计工况下，液体在叶轮周围作均匀的等速运动，且叶轮周围的压 力基本为均匀分布，是轴对称的，故液体作用在叶轮周围的径向力的合力为 零，不会产生径向推力。 （2）在非设计工况下，当流量小于设计流量时，有压力分布不均引起的 合力R和流体流出引起的动反力T，两者的合力为Fr。当流量大于设计流量时 则相反。
（4）采用平衡鼓与平衡盘联合装置 平衡鼓承担50%-80%的轴向力，止推轴承 10%，平衡盘的负荷小些。 大容量高参数的分段式多级泵广为采用。 启动频繁的小型多级泵也效果好。
（5）采用双平衡鼓装置 由两个平衡鼓及相应的节流套组成 95%轴向力由平衡鼓承担，5%止推轴承承担。
作业 1、什么 是泵的径向推力如何平衡泵的径向推力？ 2、泵的轴向推力是如何产生的？泵有轴向推力会产生什么危害？ 单级泵是如何平衡轴向推力的？ 3、多级泵平衡轴向推力有哪几种形式？
（3）采用平衡鼓平衡轴向推力 是装在未级叶轮后的一个圆柱，跟随泵轴一起旋转
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。
平衡鼓装置，只能平衡轴向推力，不能限制 转子的位置，且在工况变动时，转子会无规 律的串动，造成残余不平衡力，因此装有平 衡鼓的泵，必须加装止推轴承。
当叶轮产生的轴向力大于平衡盘上的轴向力时，泵轴向泵入口方向移动，使平衡 盘和平衡圈之间的间隙bo减小，这时高压液体通过间隙bo时的阻力增大，泄漏 量减小，使平衡盘和平衡圈之间的压力上升，增大了平衡盘上的平衡力，直到平 衡力与轴向力相等。轴向间隙bo保持不变。反之当轴向力小于平衡力时，泵轴 向右移动，间隙bo增大，高压液体泄漏量增大，平衡盘和平衡圈之间的压力下 降，作用在平衡盘上的平衡力减小，直到与叶轮上产生的轴向力相等为止，保持 轴向间隙bo在一定间隙下运行。
（二）轴向推力的平衡 轴向推力会使转子产生轴向位移，造成叶 轮和泵壳等动、静部件碰撞、摩擦和磨损； 还会增加轴承负荷，导致机组振动、发热 甚至损坏，对泵的正常运行十分不利。 故必须重视轴向推力的平衡。
1、单级泵轴向推力的平衡
（1）采用平衡孔或平衡管
平衡孔法是在叶轮上开洞；会使流动损失增加，泵效率下降。
平衡管法是将排出端漏入叶轮后密封环之内的液体用平衡管 引回叶轮吸入口；会增加泄露损失。
两者都简单可靠，但只能平衡70%-90%的轴向力，其 余的要用止推轴承承担，且降低了泵效率，故只用在 小型泵上。
平衡孔和平衡管
（2）双吸叶轮
– 叶轮形状对称，两侧压力基本平衡，多用于大流量
（3）采用背叶片 在叶轮的后盖板上加铸几个径向肋筋，称为背叶片。 并能减少轴端密封处的液体的压力，防止杂质进入轴封。