Что является основным источником осевой силы в горизонтальном центробежном насосе?

Горизонтальные центробежные насосы являются наиболее часто используемым оборудованием для транспортировки жидкостей в промышленных процессах, и их эксплуатационная надежность напрямую влияет на эффективность производства. В этой профессиональной области осевое усилие является важнейшим параметром конструкции и эксплуатации. Понимание механизма создания осевого усилия и способов его балансировки имеет решающее значение для выбора, установки насоса, устранения неисправностей и продления срока службы подшипников и механических уплотнений.

1. Основной источник осевой силы: разница давлений на рабочем колесе.

Основной причиной осевой силы является дисбаланс давления жидкости по обе стороны рабочего колеса. Это основной и часто самый большой источник осевой силы.

Наиболее типичным примером является одноступенчатое рабочее колесо одностороннего всасывания. При работе центробежного насоса:

Со стороны переднего кожуха рабочего колеса (сторона всасывания): Центральная часть рабочего колеса представляет собой зону низкого давления с давлением, близким к атмосферному или ниже него (в зависимости от NPSH).

Сторона заднего кожуха крыльчатки (задняя): когда жидкость вытекает из крыльчатки в улитку, часть жидкости под высоким давлением будет просачиваться или вытекать обратно через зазоры в компенсационных кольцах к задней части крыльчатки. Кроме того, высокое давление на выходе улитки также оказывает давление на заднюю часть рабочего колеса. Поэтому среднее давление в задней части крыльчатки обычно намного выше, чем в передней части.

Эта разница давлений между передней и задней частью рабочего колеса, проецируемая на эффективную площадь, создает силу реакции, направленную к всасывающему отверстию — осевую силу. Величина этой силы напрямую зависит от напора насоса, диаметра рабочего колеса и зазора компенсационного кольца. Более высокий напор увеличивает перепад давления и, следовательно, осевую силу.

2. Эффект изменения импульса в проточном канале рабочего колеса.

Вторым важным источником осевой силы является сила реакции изменения количества движения, возникающая, когда жидкость меняет направление и скорость внутри внутреннего канала потока крыльчатки.

Когда жидкость поступает в рабочее колесо из всасывающего патрубка, поток меняется с осевого (параллельного оси насоса) на радиальный (перпендикулярный оси насоса). Согласно второму закону Ньютона, когда жидкость подвергается изменению направления внутри рабочего колеса, на рабочем колесе неизбежно возникает сила реакции. Составляющая этой силы реакции, действующая вдоль вала насоса, представляет собой осевую силу в противоположном направлении.

В большинстве конструкций рабочего колеса одностороннего всасывания направление этой осевой силы, вызванной импульсом, противоположно осевой силе, вызванной перепадом давления, но ее величина обычно меньше, чем осевая сила, вызванная перепадом давления.

3. Влияние уплотнений вала и балансировочных отверстий: локальное распределение давления

Конструкция и условия эксплуатации зоны уплотнения вала также влияют на местное распределение осевой силы.

Площадь механического уплотнения/сальниковой коробки: На уплотнении вала сила, действующая на вал насоса, представляет собой совокупную силу давления жидкости в камере уплотнения и атмосферного давления. Если давление внутри камеры уплотнения высокое, оно выталкивает вал наружу вдоль вала насоса.

Балансировочные отверстия: для рабочих колес, в которых используются балансировочные отверстия для балансировки осевых сил, функция балансировочных отверстий заключается в эффективном снижении давления за рабочим колесом путем направления жидкости под высоким давлением в задней части рабочего колеса обратно во всасывающее отверстие или в область низкого давления. Конструкция диаметра и количества балансировочных отверстий напрямую определяет степень устранения разницы давления между передней и задней поверхностями рабочего колеса.

4. Крыльчатки двойного всасывания и баланс осевых сил.

Стоит отметить, что в центробежных насосах двойного всасывания рабочие колеса выполнены с двусторонне-симметричным всасыванием.

Симметричная структура: жидкость поступает в центр рабочего колеса одновременно и симметрично с обеих сторон.

Механическое подавление: это означает, что геометрия потока двух рабочих колес полностью симметрична, а распределение давления с обеих сторон также по существу симметрично. Во время работы осевые силы, создаваемые двумя рабочими колесами, равны по величине и противоположны по направлению, что теоретически обеспечивает автоматический баланс осевых сил. Это одно из ключевых конструктивных преимуществ насосов двойного всасывания, позволяющее им работать в условиях высокого расхода.

5. Важность балансировки осевых сил и мер противодействия

При проектировании центробежных насосов решающее значение имеет устранение или минимизация остаточных осевых сил. В противном случае чрезмерные осевые силы могут привести к:

Перегрузка подшипника. Постоянные осевые силы создают значительные нагрузки на упорный подшипник, ускоряя износ и выход из строя. Это один из наиболее распространенных видов отказов центробежных насосов.

Повреждение механического уплотнения. Резкие изменения осевых сил могут вызвать чрезмерное сжатие или разделение вращающихся и неподвижных колец механического уплотнения, что приведет к утечкам или серьезному износу.

Поэтому, помимо самобалансирующейся конструкции рабочих колес двойного всасывания, в инженерных конструкциях для балансировки осевых сил часто применяют следующие специализированные механизмы:

Балансировочные отверстия и задние лопатки: используются в насосах одинарного всасывания.

Балансировочные диски/барабаны: обычно используемые балансировочные устройства высокого давления в многоступенчатых насосах.

Точное управление осевыми усилиями горизонтальных центробежных насосов и обеспечение устойчивости вала насоса являются основными техническими требованиями для обеспечения долгосрочной и надежной работы оборудования.