樊艷麗

（埃梯梯（上海）流體技術(shù)有限公司，上海200051）

淺談葉輪背葉片能延長機封和軸承的壽命

樊艷麗

（埃梯梯（上海）流體技術(shù)有限公司，上海200051）

為了降低泵的生命周期成本，必須考慮延長機封和軸承的壽命。開式葉輪背葉片通過降低葉輪背面的壓力達到同時降低葉輪軸向力和機封腔壓力的作用，有效增加軸承和機封的壽命。

葉輪；背葉片；軸向力；機封腔壓力

在當今的工業(yè)領(lǐng)域，用戶更加關(guān)注泵的全生命周期成本，而不是僅僅局限于對于關(guān)注項目初期的采購成本。因為機封和軸承是泵產(chǎn)品的主要易損件，為了降低泵的生命周期成本，必須考慮延長機封和軸承的壽命。也因此越來越多的泵廠家在設(shè)計細節(jié)上下功夫，以期延長機封和軸承的壽命。

耳聞能詳?shù)挠懻撛掝}是關(guān)于葉輪的背葉片的功能。經(jīng)常有人問“為什么很多開式葉輪的單級單吸泵都有背葉片？”，“它們有什么用處？”。簡而言之，背葉片設(shè)計就是為了延長機封和軸承的壽命。接下來有人又會問，在什么情況下在哪里會看到背葉片的設(shè)計？他們是怎么樣延長機封和軸承的壽命的呢？

首先，我們要來定義一下適用背葉片設(shè)計的泵型和基本的泵設(shè)計。泵按照不同的標準和規(guī)范分很多種泵型和設(shè)計形式，例如API標準的單級單吸懸臂泵，中心支撐的雙吸泵，ANSI的化工流程泵，ISO的流程泵等，但背葉片的設(shè)計最常用于單級單吸的化工流程泵。化工流程泵包括美標ANSI（B73.1）泵，不在ANSI范圍內(nèi)的更大的端吸泵或更小的端吸泵等。日常應(yīng)用中的流程泵有閉式葉輪的也有開式葉輪。但并不是所有閉式葉輪和開式葉輪都適用背葉片的設(shè)計。

無論是閉式葉輪還是開式葉輪，他們的原理都是帶動液體產(chǎn)生壓力，但是不同的葉輪形式有其獨特的特性?？傮w來說，閉式葉輪的效率高，開式葉輪處理顆粒的能力強。兩種葉輪設(shè)計各有其優(yōu)點。但是背葉片的設(shè)計，主要應(yīng)用于開式葉輪上。如圖1.

圖1 葉輪圖

為了便于理解和對比，下面先說說閉式葉輪工作時的受壓情況。對于閉式葉輪的設(shè)計，因為前后蓋板同時存在，其本身就可以平衡掉大多數(shù)由葉輪工作產(chǎn)生的壓力，如圖2所示。出口壓力在葉輪的前后蓋板上同時作用，這樣就能平衡掉大部分壓力。但是沒有被平衡的壓力會作用在葉輪的后蓋板上，進而產(chǎn)生向入口方向的軸向力。但是此時的軸向力是平衡之后的軸向力，已經(jīng)比之前由葉輪工作而產(chǎn)生的壓力小多了。

圖2 單吸葉輪前后蓋板上的壓力分布

如果是開式葉輪就完全不同了。因為開式葉輪沒有前蓋板，出口壓力無法均勻的分布在整個葉輪的前面。因此，葉輪前面的壓力從入口低壓處向葉輪的邊緣漸漸的越來越大，直到葉輪的邊緣處壓力最大，等于葉輪的出口壓力（圖3）。如過沒有背葉片，那么整個后蓋板上都是出口壓力。那么相比閉式葉輪，開式葉輪將產(chǎn)生更大的軸向力，軸承也承擔著更大的軸向力。如果有背葉片，葉輪背面上的壓力就會減少，軸向力就會減少。背葉片相比工作葉片要小的多，當然有少數(shù)例外情況。這些背葉片像葉片一樣工作，但是因為他們很小，他們產(chǎn)生的壓力無法抵消工作葉輪產(chǎn)生的壓力。因此，背葉片的作用就是削弱出口壓力，使出口壓力值趨向于一個介于原入口壓力和原出口壓力之間的值。因為降低了葉輪背面的壓力，所以軸向力就降低了。軸承要承受的力減少了，軸承的使用壽命也就延長了。

圖3 開式葉輪上的壓力分布

那么，背葉片又是如何延長機封壽命的呢？保證機封使用壽命的一個必要條件是給機封一個良好的工作環(huán)境。理想的條件是：介質(zhì)溫度比較低，無顆粒并且機封腔壓力低。但是，這樣一個良好的工作環(huán)境是不現(xiàn)實的。對于一個既定的工況，高溫和顆粒往往就是要處理的介質(zhì)的特性，是無法改變的。然而，在很多情況下，機封腔壓力是可以調(diào)整的。因此設(shè)計者就要從降低機封腔壓力入手，盡可能降低機封腔壓力。因為降低了機封腔壓力，就可以減少機封密封面的磨損。機封腔壓力越高，密封面承受的壓力越大，壓力越大磨損也越厲害。因此把機封腔壓力泄掉或者削弱出口壓力，都能實現(xiàn)降低機封腔壓力的目的。泄壓的方式有兩種：

第一種方法是通過葉輪的平衡孔。如圖4.葉輪背面的高壓通過葉輪平衡孔泄到入口。平衡孔的優(yōu)點是在于他是葉輪自身的一部分，僅僅是需要些微小的加工，不需要對葉輪做重大修改就能實現(xiàn)。其缺點是會降低泵的效率。

圖4 用后密封環(huán)和平衡孔平衡軸向力

雖然平衡孔會降低泵的效率，但是對于像美標ANSI（B73.1）泵這樣的小泵，因為其整體效率比較高，影響不是很明顯。如果對于大的端吸泵，這種影響還是很明顯的?；蛘咄ㄟ^外加沖洗實現(xiàn)泄壓。見圖5的13沖洗方案。這種方法很簡單，但是要接外部的沖洗管，使壓力由機封腔返回到泵的入口。

圖5 密封競選方案-13

降低機封腔壓力的另外一個方法是削弱出口壓力。對于閉式葉輪，最典型的方式就是使用后耐磨環(huán)加平衡孔（圖4）。對于開式葉輪，使用的最普遍的方法就是葉輪背葉片。這種方法最簡單，不需要對葉輪進行任何的額外的加工。背葉片是葉輪的一部分，運輸、安裝和運行的整個過程中都不會有額外的損壞。它的成本低、附加值高，因此很多泵廠家把這種設(shè)計作為開式葉輪的標準設(shè)計。

總體來說，葉輪背葉片可以把機封腔壓力削弱大概65%～85%.這能很大的降低機封腔壓力，尤其對一些高揚程的工況。小流量高揚程的工況，機封腔壓力高，機封很容易損壞。采用背葉片設(shè)計，機封腔壓力降低了，機封就不會出現(xiàn)經(jīng)常損壞的情況了。人們經(jīng)常會錯誤的認為葉輪背葉片和泵蓋之間的間隙的增大，泵的性能就會降低，會影響機封和軸承的壽命。這種理解是錯誤的。實踐證明，機封和軸承的壽命不會因此間隙的增大而降低。另外，背葉片對于處理有顆粒的工況是大有幫助的。背葉片能使顆粒處于懸浮狀態(tài)，并把顆粒送到泵的出口。這樣就能減少密封面處顆粒的濃度，進而增加機械密封壽命。

因此，為了增加機封和軸承的壽命，減少軸承所受軸向力和降低機封腔壓力勢在必行。對于開式葉輪的泵，背葉片的設(shè)計是實現(xiàn)此目的的不二之選。主要易損件的壽命延長了，泵的全生命周期成本就相應(yīng)降低了，因此也能增加產(chǎn)品的競爭力。如今市場的競爭是技術(shù)水平的競爭，技術(shù)就是生產(chǎn)力，是企業(yè)的生存之本。

[1]IgorJ.Karassik.泵手冊[M].中國石化出版社，2002.

[2]Pumps S.Centrifugal Pump Handbook（Third Edition）[M].2010.

[3]ANSI ASME B73.1-2001：Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps for Chemical Process.

[4]林 玲，牟介剛，鄭水華，等.葉輪背葉片與蓋板的間隙對平衡軸向力的影響[J].機械設(shè)計與制造，2013（12）：228-230.

[5]蔡 龍.淺談離心葉輪背葉片密封能力[J].水泵技術(shù)，2010（2）：36-39.

Talking About Back Blade Design to Improve the Life of Mechanical Seal and Bearing

FAN Yan-li
（ITT（Shanghai）Fluid Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200051，China）

To save pump life-cycle time cost，it is necessary to improve the life of bearing and mechanical as they are easily damaged parts.The back blade will reduce the pressure acting on the impeller back shrouds.As a result pump thrust force and seal chamber pressure reduced.In this way，the bearing and mechanical seal life will be increased.

impeller；back blade；axial force；seal chamber pressure

TH133.3

A

1672-545X（2017）09-0238-03

2017-06-05

樊艷麗（1979-），女，河北獻縣人，本科，工程師，主要研究：離心泵應(yīng)用。