一、轴向力的产生及危害

  水泵在正常运转过程中,其主轴会产生轴向力。由于泵腔内流体流动,必然会对主轴产生动反力,因而泵工作时产生轴向力不可避免。转子在轴向力的作用下,产生轴向位移,造成动静部间相互研磨、碰撞,导致水泵严重损坏。轴向力的存在会造成水泵无法长时间平稳运行,降低其使用寿命和整体性能,严重时甚至危及操作人员的安全。因此,平衡水泵轴向力,是提高水泵主轴性能,从而提升水泵整体性能及安全性的关键。

  除以上必然因素造成泵转子产生轴向力外,其他不合理因素也会导致轴向力,主要有以下几种:

  1、当泵在正常运行时,叶轮吸入口处的压力为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F1。

  2、液体流经叶轮后,由于流动方向变化所产生的动反力F2。在多级离心泵中,流体通常由轴向流入叶轮,径向流出,流动方向的变化是由于液体受到叶轮的作用力,因此液体也反作用给叶轮一个大小相等、方向相反的力。由于叶片上压力分布不对称而引起的轴向力F

  3。叶片工作面压强大于叶片背面的压强,其所形成的压力差也将产生轴向力。

  4、由于叶轮流道内的压力分布不对称而产生的轴向力F4。

  5、对子立式泵而言,其内部的转子是有重力的,这会成为轴向力的组成部分;而对于卧式泵,这个轴向力是不存在的。

  6、叶轮前后盖板不对称;

  7、轴台阶,轴端等结构设计存在不合理因素;

  8、其他因素引起转子产生轴向力,如泵腔内径向流。

  在众多产生轴向力的因素中,泵腔内流体的动反力以及叶轮前后盖板不对称是转子产生轴向力的主要原因。

  二、水泵轴向力平衡方法

  平衡水泵转子轴向力的方法多种多样,例如在泵外部设置推力轴承、于水泵腔体上开设平衡孔或平衡管以降低泵压、叶轮设计时采用背叶片、双叶轮、叶轮对称分布等形式,以及使用平衡盘、平衡鼓结构等。其中,多利用平衡盘和平衡鼓结构对转子轴向力进行平衡。

  平衡盘被广泛应用在多级泵的轴向力平衡上,位于泵末级叶轮之后,其结构原理如图1所示。平衡装置存在径向和轴向两个间隙,由末级流出的带压液体,经径向间隙流入平衡盘前的空腔中,使之形成高压力状态。于平衡盘后侧的空腔上开设平衡管,并与水泵入口相连通,使该处空腔内压力与泵入口处压力基本一致。由于平衡盘前后两空腔内压力不等,构成压力差,产生与轴向力反向的平衡力,达到平衡效果。

  采用平衡盘结构平衡水泵转子轴向力时,由于轴向力不断变化,平衡力也随之改变,因而,其工作过程是动平衡过程。平衡盘依靠转子窜动自动调节其可变间隙大小,从而调节平衡力大小,能够充分平衡转子轴向力,无需依靠外部推力轴承辅助,因而平衡结构可省略外部推力轴承。

  

  平衡盘结构存在的缺陷:

  (1)当泵转子以较低速度启动时,泵中流体产生的推力较小,无法将平衡盘推离平衡座,导致工作时二者接触,产生研磨,造成磨损,达到一定限度后需进行更换,降低平衡盘使用寿命。

  (2)平衡盘轴向间隙极小,使得其应用范围受限,不适用于泵体内液体含沙、泵干转或 泵内液体接近气化等工况。

  (3)由于平衡盘依靠平衡管泄露泵内液体,使其前后产生压差来平衡轴向力,泄露会造成泵的效率降低。

  平衡鼓在离心压缩机轴向力平衡领域应用较为广泛,其结构如图2所示,平衡鼓不存在轴向间隙(公众号:泵管家),带压液体经平衡鼓径向间隙进入平衡腔,构成高压,于其后的空腔内壁上设置平衡管与泵入口相通,使腔内压力始终大于或等于入口压力,从而达到平衡轴向力的目的。

  采用平衡鼓结构平衡轴向力,平衡鼓结构动静部间的间隙为制造时制定,无法自动调整平衡力大小,因而,需要在外部安装止推轴承以平衡多余的平衡力,其优点在于,动静部无接触,无磨损,因而使用寿命较长。

  

  单独采用平衡盘进行水泵轴向力平衡时,由于其轴向间隙极小,当泵体内液体流量发生变化,或水泵工作状态发生瞬时变化时,极易造成平衡盘与平衡环贴合或卡紧,二者产生研磨、损坏,从而大大降低平衡盘寿命,影响水泵正常运作。因而,为提高水泵轴向力平衡机构性能,可采用平衡鼓结构进行轴向力平衡,但单独采用平衡鼓结构进行轴向力平衡时,泵体会产生较大泄露,极大地降低了水泵的输送效率。因此,为了提高平衡装置总体性能,结合二者优点,可采用平衡盘与平衡鼓联合结构平衡水泵转子轴向力。

采用这一结构的优点在于:

  (1)单独采用平衡鼓平衡轴向力时,需在外部加装止推轴承,采用该联合结构时,由于平衡盘的存在,可省略安装止推轴承。

  (2)平衡鼓平衡轴向力的同时也可平衡掉一部分平衡盘产生的平衡力,减小平衡盘前后压力差,使平衡盘与支撑环更易分离,不易造成磨损,使整个平衡装置性能可靠。

  (3)要求泵进行空转时,需在泵上安装止推轴承,联合机构的存在可以大大降低止推轴承的负荷。

  本文给水泵应用于核电站辅助给水,电动机辅助给水泵规格书规定,不允许单独采用平衡盘作为轴向力平衡装置,因而 测试对象拟定采用单平衡鼓或平衡盘与平衡鼓联合机构作为泵轴向力平衡装置。

  三、流量与轴向力关系计算

  水泵转子轴向力大小与流体流量关系的计算情况复杂,形式多样,采用不同形式的平衡结构,其平衡力计算方法也相应不同。本文测试对象拟定采用单平衡鼓或平衡盘与平衡鼓联合机构两种不同结构作为泵轴向力平衡装置,选取性能最优者作为最终平衡方案。分别根据两种不同结构,确定经平衡装置平衡后,总轴向力与流量关系。

  ①采用单平衡鼓作为轴向力平衡装置,计算采用这一结构时,泵体内流体流量与转子总轴向力大小关系。

  ②以平衡盘与平衡鼓联合机构作为轴向力平衡装置,计算采用这一结构时,泵体内流体流量与转子轴向力大小关系。

  四、轴向力的测试

  现有的轴向力预测方法一般分为试验测量采用经验公式计算两种, 水泵厂很多由经验法和理论计算法所得出的轴向力精度及适用性较差,对于重要用途的离心泵需要进行轴向力的实际测量,以保证正确设计轴向力平衡装置,选用合适的轴向推力轴承,防止轴向力平衡装置或轴承破坏引发的失效等故障。同时,通过测试还可以获取准确的轴向力数值,用来校正和修改经验计算公式及理论计算模型。综合国内外多种轴向力测试方法,可分为以下几类:

  1、安装拉压力传感器

  2010年,俄罗斯学者提出在测试轴向力时,可以将该测力仪安装在泵转子末端,直接测量轴向力,利用弹性元件及应变片产生的形变进行测量,其测试方法如下图所示。该方法结构简单,易于安装,但体积较大,不适合内部结构紧凑的水泵装置。

  

  2、液压测力机构

  利用液压测力机构测试单级离心泵轴向力的装置,如图2所示,该装置由轴向力输出、轴向力输入、轴向力数值显示和砝码测力机构四部分组成。其基本原理是泵运行时,泵轴在轴向力与静态液压测力机构给予的相反方向力轴向力的作用下,达到轴向平衡,不产生轴向位移。由于该装置能够自动消除滑动摩擦力和静摩擦力的干扰,所以液压测力机构给予泵轴的反向轴向力正好等于泵腔内运动流体给予叶轮的轴向力。读出两个显示装置的压力差,就能得到轴向力的大小.还可以用静态液压测力机构和砝码测力机构互相酉己合测出轴向力,对比两套测力装置的测试结果(公众号:泵管家)。该方法可以在时一种工况下用两种方法同时测量,从而具有自校功能,准确性高,读取数据方便快捷,但装置体积较大,装配复杂。

  3、直接粘贴应变片

  在结构紧凑的 泵上,由于轴向空间被机械密封占据,没有足够的空间给予安装测量装置,难以测定轴向力。用“多点应力法”测量多级离心泵轴向力和径向力,该方法是根据多级离心泵的受力特点,对离心泵后端轴承的支架进行测量,该支架的形状通常都为一定厚度的准半圆柱壳体,选取适当的截面粘贴应变片,读取测试值后,再计算轴承支架的惯性矩、金属截面积形心位置等几何特性,通过轴向力计算公式最终求得轴向力。该方法所占空间小,但计算复杂。

  4、测力弹性元件

  测量燃气轮压气机转子轴向力的传感器,当转子轴承腔内有一定的安装空间时,可以考虑在轴承的两侧安装传感器弹性元件,弹性元件设计为圆环形,其几何尺寸近似于转子推力轴承的外环的尺寸,分别将圆环形传感器安装在轴承的两端面,直接感受轴承外环轴向力。该方法结构简单,尺寸小,实时性好,但测量结果易受到环境干扰。

  5、弹簧秤测量装置

  以弹簧秤为测力核心,轴承座与定子固定,轴承套与右轴承座为间隙配合,安装在轴承套内的零件可随转子一起作轴向位移,压盖与测力拉杆连接,利用杠杆原理,通过弹簧枰进行轴向力测量。当 水泵运转时,叶轮转子体在轴向力的作用下偏向一端,用外力拉动转子居中,此拉力与轴向力相等,测力机构测得的拉力即为轴向力。该方法原理简单易懂,但测试精度不高,数据不能即时与微机数据处理系统相连接,不能实现实时的数据采集。

  6、电涡流效应测量装置

  可以使用电祸流式测力仪来测量主轴回转精度,当被测对象的尺寸、位移等参数发生改变时,会引起测力仪感应线圈电感、阻抗等特性发生变化,并具备特定对应关系。如果上述参数中的某一个发生改变,即可用来实现各类测试。测量时,在主轴的轴线平行方向安装这个电涡流式测力仪,当有轴向力产生时,主轴产生位移,使主轴末端与涡流式测力仪线圈之间的距离发生变化,与侧向测力伩配合,将位移量转化为电信号,经放大、滤波、A/D转化等处理转化为数字信号,再经计算机处理即可得到使主轴产生此位移量的轴向力大小,该方法可结合计算机处理数据,实时性好,抗干扰能力强,但不适于内部结构紧凑的机械装置。除了以上介绍的方式外, 水泵厂还有利用即应变计填埋法,轴向电磁力,等离子电弧力等方法测量轴向力。

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