«
Гидравлика

Осевая сила насоса

Осевая сила

Осевая сила, действующая на рабочее колесо насоса представляет собой равнодействующую сил, действующих на рабочее колесо и направлена она в сторону, соответствующую направлению действия большей из этих сил. А какие именно силы влияют на формирование осевой силы мы разберем в этой статье.

При работе центробежного насоса рабочее колесо вращается в пространстве, заполненном перекачиваемой жидкостью. Поверхности дисков рабочего колеса подвергаются действию различных сил, которые, как показывает опыт, не уравновешиваются.

Кроме того, ротор насоса находится в состоянии установившегося вращательного движения, тогда для того чтобы уравновесить все силы действующие на него необходимо провести ряд мероприятий, влияющих на конструкцию насоса.

Для определения сил, которые влияют на установление равновесия ротора, необходимо определить силы, которые действуют на рабочее колесо. Эти силы разделяются на:
Осевая сила  массовые – сила тяжести и сила инерции
Осевая сила  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

Осевая сила

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:

Pосевая = Р2 – (Р1 + Р3) =

= р2 ¼π(D22 - d2) – [р1 ¼π(D12 - d2) + р2 ¼π(D22 - D12) ]

или после приведения подобных членов получим

Pосевая = 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.

На что влияет осевая сила.

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.

Как снизить влияние осевой силы.

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

1. Установка упорных подшипников скольжения.

Такой способ применяют только при очень небольшой осевой силе как вспомогательную меру.

2. Сверление разгрузочных отверстий.

Осевая сила

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.

3. 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.

Уравновешивание осевой силы является первым шагом при испытании нового насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

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 дополнение к статье "Осевая сила насоса" Вам может быть интересно: