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
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。
轴向力径向力及平衡
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
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
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。
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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。
课题二 离心泵的径向推力、轴向推力及其平衡方法
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
演示模板轴向力径向力及其平衡.ppt
F1 (R22h Rh2 )gH p
1 2
( R22h
Rh2 )g
2 8g
( R22h
Rh2 )
(
R22h
Rh2
) g [
H
p
2
16 g
(
R22h
Rh2
)]
F2 (R220 Rm2 )gH p
1 2
( R220
Rm2 )g
2 8g
( R220
Rm2 )
(
R220
Rm2
)g[ H
p
2
16 g
优选
13
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
A1
g ( Rm2
Rh2 )[ H
p
2
8g
( R22
Rm2
2
Rh2
)]
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。
计算方法：（设液体以 旋转）
bc = ac- ab
任意半径R 处的压头 h
h h h
(u2 )2 2 2g
(u)2 2
2g
1 8g
(u
2 2
u2) 2 8g
(R22
R2)
假设：vm1 vm2 vu1 0
Hp
p2 p1 g
Ht
v22 v2 2g
Ht
(vm2 2
vu22 ) (vm21 vu21 ) 2g
Ht
vu22 2g
优选
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。
离心泵基础知识工作原理
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。
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Methods of balancing axial force
(5) balance axial force with balance drum
Methods of balancing axial force
(6) Balance the axial force by the method of balance disc.
Radial thrust： Increase the burden on the shaft，deform and even fracture，vibration，reduce the life of pumps
Balance or reduce of hydraulic forces
(7) Balance the axial force by the method of a balance hole or equilibrium tube。
radial force of centrifugal pumps
潘同建
Causes of radial force
the pressure in the volute is basically uniform. Deviating from the optimal conditions will cause the liquid absolute velocity of the impeller outflow deviated from the liquid velocity in volute.Pressure distribution in the volute is uneven.
Structure of centrifugal pumps
Reasons of the hydraulic forces Effects of hydraulic forces Balance or reduce of hydraulic forces
Structure of centrifugal pumps
Causes of axial force
（ 1 ） The area of the liquid pressure on the front and back cover of the pump impeller is not equal, and the distribution of the liquid pressure around the pump chamber is also asymmetric.
For rale-stage pump, use double volute（双蜗壳） 2、Pressurized water chamber
are arranged by 180°
Axial force of centrifugal pumps
For axial thrust： 1、Use the impeller symmetry to counterpoise （双吸泵） 2、Change the shape of the impeller （背叶片） 3、Use thrust bearing（推力轴承） 4、Balancing device（平衡盘、平衡鼓、两者结合）
Radial thrust on the impeller 1.When the Centrifugal pump is under the optimal conditions,
small flow rate：C2>C
big flow rate
：C2<C
C — Flow velocity in the volute
Reasons of the hydraulic forces
For axial thrust： 1、Force difference between hub and shroud 2、Dynamic reaction force
3、For vertical pumps ， gravity is the part of axial thrust.
Methods of balancing axial force
(1) balance axial force of centrifugal pump with a thrust bearing
(2) balance axial force with the back (deputy) vane
Big flow rate
Small flow rate
Pump gravity
The forces including the radial forces on the impeller and pump gravity cause alternating stress acting on shaft and generate directional deflection.
Axial centrifugal force generated causes
(3) The axial force, which is caused by the axial force and the axial end of the shaft, is determined by the specific circumstances. (4) The axial force caused by the weight of the rotor is related to the arrangement of the rotor.
2.Dynamic reaction force
The uneven distribution of liquid pressure around the impeller destory Axisymmetric flow.The pressure of a large liquid flow from the impeller is less.
王琪
Definition of axial force
when the centrifugal pump is in operation, a strong force will generate on its rotor, since the centrifugal force direction parallel to the axis of the shaft, so we called it axial force.
Axial centrifugal force generated causes
(2 Liquid flows from the impeller inlet and flows out from the impeller outlet ， whose speed and direction are not the same,so the axial component of the liquid momentum changed.
Hydraulic forces and balances in centrifugal pumps
members：钱培、范佳晨、陈桢、王琪、潘同建
Brief introduction of centrifugal pumps
陈桢
Brief introduction of centrifugal pumps
Methods of balancing axial force
3) balance axial force with double suction impeller. Due to the symmetrical structural, double suction impeller can balance the axial force. (4) balance axial force with an impeller arranged symmetrically
For radial force:
1、Deviate from the designed point
2、Dynamic reaction force 3、Horizontal pumps，gravity
Effects of hydraulic forces
Axial thrust： 1、large axial thrust，shaft hard to bear 2、Vibration，abrasion
Balance the radial force
single-stage volute pump
Double-volute or Diffuser
multistage centrifugal pump
upside-down volute
thank you for watching