Во время работы центробежных насосов возникает осевое давление, которое при отсутствии разгрузочных устройств может вызвать осевое смещение вала с рабочим колесом. В статье мастер сантехник расскажет, какие именно силы влияют на формирование осевой силы и как разгрузить ротор центоробежного насоса от осевой силы.
Определение осевой силы
- Указатель массовые – сила тяжести и сила инерции
- Указатель 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
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:
P(осевая) = Р2 – (Р1 + Р3) = р2 ¼π(D2² - d²) – [р1 ¼π(D1² - d²) + р2 ¼π(D2² - D1²)]
Или после приведения подобных членов получим:
P(осевая) = 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.
Способы уравновесить осевую силу
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.
Чтобы предотвратить отрицательное влияние осевой силы, которому сопутствует увеличение расхода мощности, потребляемой насосом и падение его КПД, применяют следующие способы:
- Установка упорных подшипников скольжения. Такой способ применяют только при очень небольшой осевой силе как вспомогательную меру.
- Сверление разгрузочных отверстий. 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.
- 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.
Итог
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 продолжение темы посмотрите также наш обзор Вертикальный центробежный насос — разновидности и особенности работы