Осевые силы в центробежных насосах — определение, расчет, как уравновесить

Во время работы центробежных насосов возникает осевое давление, которое при отсутствии разгрузочных устройств может вызвать осевое смещение вала с рабочим колесом. В статье мастер сантехник расскажет, какие именно силы влияют на формирование осевой силы и как разгрузить ротор центоробежного насоса от осевой силы.

Определение осевой силы

Для определения сил, которые влияют на установление равновесия ротора, необходимо определить силы, которые действуют на рабочее колесо. Эти силы разделяются на:

• Указатель  массовые – сила тяжести и сила инерции
• Указатель  поверхностные – взаимодействие поверхности колеса с потоком жидкости.

При заполнении насоса жидкостью вес колеса разгружается за счет гидростатических давлений по поверхности колеса, которые согласно закону Архимеда равны весу вытесненной воды и направлены вверх.

Осевое действие силы инерции сводится к нулю при помощи динамической балансировки на специальном станке. Динамическая балансировка обычно осуществляется для ротора насоса в целом.

Поэтому рассмотрим действие на рабочее колесо центробежного насоса только поверхностных сил, которые собственно и определяют динамические условия его работы.

Расчет осевой силы

Силы давления на рабочее колесо, вращающееся в корпусе насоса, заполненном жидкостью, могут быть найдены из следующих соображений.

Давление р1 при входе в насос является начальным давлением насоса. Это давление действует на площадь кольцевого сечения, которая определяется по формуле

F1 = ¼π(D1² - d²)

Где:

• D1 – внешний диаметр всасывающей полости рабочего колеса;
• d – диаметр вала.

Следовательно, сила давления жидкости на рабочее колесо в области всасывания составит:

P1 = р1 F1 = р1 ¼π(D1² - d²)

В конструкции центробежных насосов всегда предусматривается тщательное определение области всасывания с начальным давлением p1 от области нагнетания с конечным давлением p2. Такое отделение осуществляется с помощью уплотнительных колец. Зазор между внутреней поверхностью уплотнительного кольца и внешней поверхностью рабочего колеса по диаметру входа должно быть небольшим, порядка 0,15 – 0,2 миллиметров.

Выход жидкости из рабочего колеса осуществляется свободно, зачастую при значительном расстоянии между выходным диаметром D2 рабочего колеса и внутренним диаметром направляющего аппарата или соответствующей кромкой приемного отверстия нагнетательного патрубка.

Поэтому давление p2 действует на всю площадь F2 заднего диска рабочего колеса, определяемую величиной:

F2 = ¼π(D2² - d²)

И на площадь кольцевого покрывного диска:

F3 = ¼π(D2² - D1²)

Причем, осевое действие сил, обусловленных давлением p2 , действующих на обе стороны рабочего колеса, по направлению взаимно противоположны.

Определим силы давления по обе стороны рабочего колеса, которые обусловлены давлением нагнетания p2 :

P2 = р2 F2 = р2 ¼π(D2² - d²)

P3 = р2 F3 = р2 ¼π(D2² - D1²)

Где:

• Р2 – полная сила давления на всю площадь заднего диска рабочего колеса;
• Р3 – полная сила давления на кольцевой покрывной диск рабочего колеса.

Осевая сила Pос , очевидно, является равнодействующей перечисленных сил Р1, Р2 и Р3, причем, направление её соответствует направлению большей силы:

P(осевая) = Р2 – (Р1 + Р3) = р2 ¼π(D2² - d²) – [р1 ¼π(D1² - d²) + р2 ¼π(D2² - D1²)]

Или после приведения подобных членов получим:

P(осевая) = ¼π(D1² - d2)( р2 – р1)

Таким образом, осевая сила определяется произведением разности между конечным давлением, которое создает насос (р2), и начальным давлением на всасывании р1, умноженной на площадь живого сечения потока при входе в рабочее колесо. Так как р2 > р1, то осевая сила направлена в сторону всасывания.

Способы уравновесить осевую силу

Осевая сила стремится сдвинуть рабочее колесо вместе с валом в сторону всасывающего патрубка. Если это усилие окажется достаточно большим, оно приведет к поломке подшипников, истиранию в первую очередь уплотнительных колец, а затем и ко взаимному истиранию корпуса насоса и рабочего колеса.

Чтобы предотвратить отрицательное влияние осевой силы, которому сопутствует увеличение расхода мощности, потребляемой насосом и падение его КПД, применяют следующие способы:

• Установка упорных подшипников скольжения. Такой способ применяют только при очень небольшой осевой силе как вспомогательную меру.
• Сверление разгрузочных отверстий. Для уравновешивания сил давления в центральной части рабочего колеса сверлят отверстия 1 в заднем диске рабочего колеса. Таких разгрузочных отверстий делает для большинства случаев около четырех штук. С их помощью выравнивается давление жидкости с обеих сторон рабочего колеса. Чтобы предотвратить перетекание жидкости через эти отверстия из области высокого давления на нагнетании в область низкого давления на всасывании, делают кольцевые выступы 2 на наружной стороне заднего диска и устанавливают охватывающие его с небольшим зазором уплотнительные кольца 3 в корпусе насоса. Такой способ уравновешивания осевой силы как сверление отверстий считается наиболее простым и распространенным.
• Применение гидравлического приспособления с разгрузочным диском. Если осевая сила достигает больших значений, например, в высоконапорных насосах, то сверление разгрузочных отверстий в центральной части рабочего колеса оказывается недостаточно. В этом случае на нагнетании насоса монтируется гидравлическое приспособление, с помощью которого создается усилие на ротор насоса, равное осевому, но противоположное ему по направлению. При соответствующих размерах такого гидравлического разгрузочного диска, осевая сила может быть полностью уравновешена.

Видео

В сюжете - Как работает центробежный насос

В сюжете - Движение жидкости в рабочем колесе

Итог

В заключении хочется отметить, что уравновешиванию осевой силы и исключению её отрицательного влияния отводится большое время при проведении производственных испытаний насоса. Современный насосы конструируются, а затем доводятся на испытательных стендах таким образом, чтобы свести влияние осевой силы к минимуму.

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Вертикальный центробежный насос — разновидности и особенности работы