李曉軍

（上海中韓杜科泵業(yè)制造有限公司，上海 201715）

現(xiàn)階段隨著二次供水設(shè)備的蓬勃發(fā)展，二次供水系統(tǒng)中輕型立式多級(jí)不銹鋼沖壓泵的使用也越來(lái)越多，立式多級(jí)沖壓泵結(jié)構(gòu)緊湊，整泵重量輕，由于葉輪葉片蓋板，導(dǎo)葉葉片導(dǎo)葉體都采用不銹鋼材質(zhì)制作，大大降低了對(duì)水質(zhì)污染；立式多級(jí)沖壓泵的應(yīng)用市場(chǎng)也越來(lái)越廣，消防、暖通、輕化工等相關(guān)領(lǐng)域也多有應(yīng)用案例。

通常情況下立式多級(jí)離心泵運(yùn)行時(shí)由于葉輪進(jìn)出水前后有壓力差的作用，使得水泵泵軸和整個(gè)轉(zhuǎn)子部件上產(chǎn)生向進(jìn)水向下的軸向力，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的立式多級(jí)沖壓式泵，因泵內(nèi)沒(méi)有設(shè)置平衡軸向力的裝置，主要軸向力由電機(jī)軸承承受，由于立式多級(jí)泵級(jí)數(shù)多、揚(yáng)程高、軸向力較大，很容易造成電機(jī)軸承損壞，進(jìn)一步使電機(jī)損傷，造成故障，因此大部分的電機(jī)都通過(guò)加大軸承的方式或結(jié)構(gòu)改動(dòng)來(lái)使得電機(jī)能夠承受水泵的軸向力作用，這樣使得不能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，造成生產(chǎn)難度加大。根據(jù)立式多級(jí)泵實(shí)際使用情況，通過(guò)改進(jìn)立式多級(jí)沖壓泵的結(jié)構(gòu)和工藝，降低泵用電機(jī)的故障率，對(duì)立式多級(jí)沖壓泵的軸向力平衡進(jìn)行研究。

1 立式多級(jí)離心泵的軸向力平衡分析

1.1 立式多級(jí)泵軸向力的產(chǎn)生機(jī)理

立式多級(jí)沖壓泵在運(yùn)行過(guò)程中，由于葉輪進(jìn)水口是低壓區(qū)，葉輪出水蓋板后是高壓區(qū)，前后存在壓力差，使多級(jí)泵泵軸轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)很大的作用力，此作用力按多級(jí)沖壓泵結(jié)構(gòu)從上往下。

立式多級(jí)沖壓泵液體從葉輪軸向進(jìn)口進(jìn)入葉輪內(nèi)部，沿著葉片從徑向流出，液體流動(dòng)方向發(fā)生變化，是由于液體收到葉輪作用力的結(jié)果，同時(shí)液流會(huì)給葉輪一個(gè)大小相等，方向相反的反作用力稱(chēng)為動(dòng)反力，方向從葉輪進(jìn)口指向葉輪后面，按照動(dòng)量定理可知。

立式多級(jí)泵轉(zhuǎn)子總成自重產(chǎn)生的重力，及轉(zhuǎn)動(dòng)部件本身重量所引起的軸向力。

1.2 傳統(tǒng)立式多級(jí)泵的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的立式多級(jí)沖壓泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示，傳統(tǒng)的立式多級(jí)沖壓泵的軸向力主要通過(guò)電機(jī)的軸承承受，由于多級(jí)泵級(jí)數(shù)越多，揚(yáng)程越高，軸向力也越大，很容易使軸承損壞，從而使電機(jī)損壞甚至報(bào)廢，造成損失，且大部分電機(jī)需要加大軸承等方式來(lái)更改結(jié)構(gòu)，這就給電機(jī)制作帶來(lái)很多不便。有些從水泵與電機(jī)連接支架中間加推力軸承等方式解決軸向力問(wèn)題，給水泵裝配和維護(hù)帶來(lái)不便。

圖1

1.3 結(jié)構(gòu)改造后立式多級(jí)沖壓泵軸向力分析

將改造后整個(gè)立式多級(jí)沖壓泵的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在水泵轉(zhuǎn)子部件與進(jìn)出水段下端設(shè)置一對(duì)平衡摩擦副，將泵導(dǎo)葉出水口的高壓水引向葉輪前端進(jìn)水口低壓區(qū)的密封腔，給轉(zhuǎn)動(dòng)部件向上的壓力，來(lái)平衡向下的軸向力，這樣整個(gè)轉(zhuǎn)子部件向上的作用力和向下的作用力達(dá)到平衡。此平衡摩擦副，不需要再定制加大電機(jī)軸承更改結(jié)構(gòu)等。

圖2

平衡裝置的運(yùn)行分析和具體的實(shí)施方式如下：

如附圖3、圖4 所示，為水泵平衡裝置結(jié)構(gòu)的剖面放大圖和剖面右視圖，圖中將水泵泵體1 分為進(jìn)口低壓區(qū)12 和泵出口高壓區(qū)7，水泵泵體1 上設(shè)置有支撐座9，水泵泵體1 上設(shè)置有回流孔8，該回流孔將高壓水引流至平衡摩擦副底部腔體5，支撐座9 上方設(shè)置有動(dòng)、靜環(huán)摩擦副，動(dòng)環(huán)摩擦副4 隨主軸旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)摩擦副6 不隨主軸旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)摩擦副6 與支撐座9 上設(shè)置的防轉(zhuǎn)定位塊存在一定的間隙，靜環(huán)摩擦副6 受壓后可沿著支撐座9 上設(shè)置的防轉(zhuǎn)定位塊向上浮動(dòng)，動(dòng)、靜環(huán)摩擦副接觸面制作成和機(jī)封動(dòng)靜摩擦副一樣的光滑端面，動(dòng)環(huán)摩擦副4由壓蓋3 壓住推力盤(pán)2 上裝在泵軸10 上，支撐座9 與靜環(huán)摩擦副6 和水泵泵體1 之間均設(shè)有O 型圈11 防止漏水。當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)因葉輪作用力形成的壓力差，使水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件產(chǎn)生向下軸向力，此時(shí)水泵運(yùn)行產(chǎn)生的高壓水流通過(guò)回流孔8 進(jìn)入平衡摩擦副底部腔體5，由此高壓水作用力加在靜環(huán)摩擦副6 上使之向上運(yùn)動(dòng)，水泵運(yùn)行時(shí)泵軸10 帶動(dòng)動(dòng)環(huán)摩擦副4 高速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)摩擦副4 和靜環(huán)摩擦副之間形成極薄的液膜，同機(jī)封摩擦副原理相同，同時(shí)將向上的作用力傳遞給整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，此力與向下軸向力大小相等方向相反，使水泵泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)總成部分達(dá)到受力均衡，因動(dòng)、靜環(huán)摩擦副之間形成的極薄液膜阻止了液體的泄露，同時(shí)液體液膜也潤(rùn)滑了摩擦副端面，獲得長(zhǎng)期運(yùn)行潤(rùn)滑密封和平衡軸向力效果。采用此種動(dòng)、靜環(huán)摩擦副的平衡型裝置，設(shè)計(jì)者可以有效的控制端面比壓，從而使摩擦損失減小，降低功率損耗，延長(zhǎng)使用壽命，即使摩擦端面嚴(yán)重磨損，產(chǎn)生的軸向力仍然能夠得到很好的平衡，使得水泵因軸向力而產(chǎn)生的軸承發(fā)熱、損壞噪音等故障率大大下降，所以該平衡裝置十分可靠。

圖3

圖4

2 改造泵型軸向力及平衡裝置計(jì)算

2.1 軸向力的計(jì)算

XRL155 泵型，流量Q=155m3/h,轉(zhuǎn)速n=2980r/min

揚(yáng)程H=189m，i=7 泵的單級(jí)揚(yáng)程H1=189/7=27m

介質(zhì)為常溫清水，ρ=1000kg/m3

葉輪直徑D2=168.5mm，葉輪進(jìn)口直徑Dj=108.8mm，

葉輪密封環(huán)處直徑Dm=110.8mm

泵軸直徑d=28mm，輪轂直徑dh=35.4mm

泵的水力效率

立式泵轉(zhuǎn)子重量（包括液體重量）A3=323N

2.2 平衡摩擦副的計(jì)算

由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知，在設(shè)置平衡裝置時(shí)，將水泵的高壓水引入平衡裝置下方腔體，使得平衡靜摩擦副上升支撐整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，形成一個(gè)給整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)總成向上的力，由此平衡掉轉(zhuǎn)子的軸向力，此力與軸向力大小相等方向相反。由此可以推導(dǎo)出平衡裝置的尺寸。

圖5

平衡裝置尺寸由此可確定平衡摩擦副外徑為80mm。

通過(guò)以上分析計(jì)算表明，在設(shè)計(jì)該平衡裝置時(shí)可較為準(zhǔn)確計(jì)算出平衡裝置摩擦副的尺寸，在實(shí)際運(yùn)用中為了使運(yùn)行更加穩(wěn)定，使水泵泵軸承受些許拉伸力，平衡裝置外徑不宜取值過(guò)大，少許小于計(jì)算值可按計(jì)算外徑的0.9～0.95 取值，具體可按水泵參數(shù)范圍不同流量下進(jìn)行演算得出。

端面壓力可由F=ρgHπ（R2p-R2內(nèi)）計(jì)算，摩擦副端面寬度可按3mm 左右取值，外徑確定后可按照機(jī)械密封資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)整平衡腔體內(nèi)徑的尺寸可有效控制端面比壓減少摩擦副的磨損，降低摩擦損耗，設(shè)計(jì)時(shí)需注意合理取值。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的立式多級(jí)沖壓式泵，因泵內(nèi)沒(méi)有設(shè)置平衡軸向力的裝置，主要軸向力由電機(jī)軸承承受，由于立式多級(jí)泵級(jí)數(shù)多、揚(yáng)程高、軸向力較大，很容易造成電機(jī)軸承損壞，進(jìn)一步使電機(jī)損傷，造成故障，多數(shù)的電機(jī)都通過(guò)加大軸承的方式或結(jié)構(gòu)改動(dòng)來(lái)使得電機(jī)能夠承受水泵的軸向力作用，這樣使得不能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，立式多級(jí)沖壓泵隨著級(jí)數(shù)增加功率的增大，這就需要每個(gè)電機(jī)基座號(hào)都得進(jìn)行重新設(shè)計(jì)承受軸向力，造成生產(chǎn)難度加大。

本文通過(guò)對(duì)立式多級(jí)離心泵的軸向力研究分析，在水泵轉(zhuǎn)子部件與進(jìn)出水段下端設(shè)置一對(duì)平衡摩擦副，將水泵出水口的高壓水流通過(guò)引流方式引流到水泵葉輪吸入端的低壓區(qū)，給低壓區(qū)密封摩擦副向上的作用力，同時(shí)將向上的作用力傳遞給整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，使水泵內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的軸向力達(dá)到平衡。

實(shí)踐證明，筆者公司研發(fā)的系列產(chǎn)品，XRL125、XRL155、XRL185 均采用了平衡摩擦副結(jié)構(gòu)形式，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了同類(lèi)進(jìn)口泵的技術(shù)水平。同時(shí)運(yùn)行可靠性方面優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品，降低了客戶使用中頻繁更換電機(jī)軸承，解決了泵組的振動(dòng)、軸承發(fā)熱損毀等問(wèn)題，降低了客戶頻繁檢修所帶來(lái)的損失，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)在該系列泵型中得到使用降低了成本，進(jìn)一步回饋客戶。

綜上所述，該平衡裝置平衡摩擦副的改造結(jié)構(gòu)，打破了固有的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式，使多級(jí)沖壓水泵平衡問(wèn)題得到了解決，電機(jī)結(jié)構(gòu)得到解放，不局限于立式多級(jí)沖壓式離心泵，在其它泵型當(dāng)中也可廣泛使用。