Что такое осевое усилие

Осевое усилие, решающий фактор в конструкции и эксплуатации центробежного насоса, относится к результирующей силе, действующей параллельно валу насоса. В этой статье рассматриваются причины, последствия и стратегии управления осевым усилием в центробежных насосах, предоставляя ценную информацию как инженерам, так и пользователям насосов.

Ключевые компоненты, способствующие осевой тяге

1. Осевые гидравлические силы на бандажах рабочего колеса: Распределение давления на переднем и заднем кожухах рабочего колеса создает осевую силу.
2. Импульсные силы от изменения осевой скорости жидкости: Когда жидкость ускоряется или замедляется в осевом направлении, она оказывает давление на рабочее колесо, создавая осевое усилие.
3. Силы, возникающие из-за разницы давлений в уплотнениях и подшипниках.: Дисбаланс давления на уплотнениях вала и подшипниках может создавать дополнительные осевые силы на роторе насоса.
4. Масса компонентов ротора (для вертикальных насосов): В вертикальных конфигурациях насоса вес узла ротора, включая рабочие колеса, вал и другие компоненты, способствует увеличению общего осевого усилия.

Уравнение для расчета осевого усилия

Осевое усилие (F), действующее на рабочее колесо центробежного насоса, можно рассчитать по следующему уравнению:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Где:

• P1 и P2 — давления, действующие на передний и задний бандажи рабочего колеса соответственно.
• A — площадь кожуха рабочего колеса.
• ρ — плотность жидкости
• Q - объемный расход
• V1 и V2 — осевые скорости жидкости на входе и выходе рабочего колеса соответственно.

Это уравнение учитывает как силы давления, так и силы импульса, действующие на рабочее колесо в осевом направлении.

Причины осевого усилия в различных конструкциях насосов

Одноступенчатые насосы

В одноступенчатом исполнении центробежные насосы, осевое усилие в первую очередь возникает из-за разницы давления между передним и задним кожухами рабочего колеса. Более высокое давление на стороне нагнетания рабочего колеса создает чистую силу, которая толкает рабочее колесо в сторону всасывания. Это осевое усилие может зависеть от таких факторов, как конструкция рабочего колеса, условия эксплуатации и зазоры износных колец.

Многоступенчатые насосы

Многоступенчатые центробежные насосы с несколькими последовательно расположенными рабочими колесами сталкиваются с дополнительными проблемами при управлении осевым усилием. Давление увеличивается на каждой ступени соединения, что приводит к значительно более высокой осевой силе по сравнению с одноступенчатыми насосами. Кроме того, дополнительную сложность в систему вносит наличие балансировочных барабанов, балансировочных дисков или балансировочных поршней, которые используются для противодействия осевому давлению.

Последствия чрезмерного осевого усилия

1. Перегрузка и преждевременный выход из строя упорных подшипников: Высокие осевые силы могут привести к тому, что упорные подшипники будут работать сверх номинальной мощности, что приведет к ускоренному износу и преждевременному выходу из строя.
2. Чрезмерный прогиб вала и вибрация: Несбалансированные осевые силы могут привести к отклонению вала насоса, что приведет к повышению уровня вибрации и сокращению срока службы подшипников.
3. Ускоренный износ внутренних зазоров насоса.: Осевое усилие может вызвать контакт между вращающимися и неподвижными компонентами, такими как компенсационные кольца и балансировочные барабаны, что приводит к ускоренному износу и увеличению зазоров.
4. Механическое уплотнение утечка и отказ: Чрезмерное осевое перемещение ротора насоса может привести к протечкам или преждевременному выходу из строя механических уплотнений.
5. Снижение эффективности и надежности насоса.: Совместное воздействие повышенной вибрации, износа и повреждения компонентов из-за чрезмерного осевого усилия может значительно снизить эффективность и общую надежность насоса.

Методы балансировки и контроля осевой тяги

1. Упорные подшипники и их размеры.: Правильно подобранные и подобранные упорные подшипники, такие как радиально-упорные шарикоподшипники или подшипники с наклонной подушечкой, могут эффективно выдерживать осевые нагрузки, создаваемые насосом. Особое внимание необходимо уделить грузоподъемности подшипника, номинальной скорости и требованиям к смазке.
2. Расположение рабочего колеса: Использование рабочих колес двойного всасывания или расположения рабочих колес «спина к спине» может помочь сбалансировать осевые силы, действующие на ротор насоса, уменьшая чистую осевую тягу.
3. Балансировочные барабаны, диски и поршни: Эти устройства, установленные на валу насоса, создают противодействующую осевую силу, используя разницу давлений между нагнетанием и всасыванием насоса.
4. Балансировочные отверстия и встречные лопатки на рабочих колесах: Стратегически расположенные отверстия или встречные лопатки на кожухах рабочего колеса могут помочь выровнять распределение давления, уменьшая результирующую осевую силу, действующую на рабочее колесо.
5. Автоматические гидравлические балансировочные устройства: Саморегулирующиеся гидравлические балансировочные устройства, такие как система ITT Goulds Pumps «Balanced-Flow», могут автоматически поддерживать оптимальный баланс осевого усилия в различных условиях эксплуатации.
6. Влияние зазоров компенсационных колец: Поддержание надлежащего зазора компенсационного кольца необходимо для контроля осевого усилия. Поскольку зазоры компенсационных колец увеличиваются из-за нормального износа, распределение давления вокруг рабочего колеса изменяется, потенциально увеличивая осевое усилие.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между осевыми и радиальными упорными подшипниками?

Осевые (упорные) подшипники предназначены для восприятия нагрузок, действующих параллельно оси вала, тогда как радиальные подшипники выдерживают нагрузки, действующие перпендикулярно оси вала.

В центробежных насосах осевые упорные подшипники используются для противодействия осевым силам, создаваемым рабочими колесами насоса, и распределению давления внутри корпуса насоса. Радиальные подшипники выдерживают вес ротора насоса и любые радиальные силы, возникающие в результате взаимодействия рабочего колеса с корпусом или смещения вала.

Заключение

Понимание и эффективное управление осевым усилием имеет решающее значение для обеспечения надежной и эффективной работы центробежных насосов. Принимая во внимание различные факторы, влияющие на осевое усилие, такие как конструкция рабочего колеса, конфигурация насоса и условия эксплуатации, инженеры могут разработать и выбрать подходящие стратегии балансировки осевого усилия.

Регулярный мониторинг, техническое обслуживание и соблюдение передовых практик эксплуатации могут дополнительно помочь минимизировать влияние осевого усилия на производительность и долговечность насоса.