吴海燕
（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）
【摘 要】离心泵工作时，其转子会受到一个与轴心线相平行的轴向推力。如果该力得不到有效的控制，在其作用下转子会发生轴向窜动，使转动部件与固定部件之间接触，从而造成泵零部件的损坏以致不能工作。本文总结了目前常用的几种轴向力平衡方法，并重点介绍了不同平衡方法的结构、工作原理及特点，然后通过对比分析，总结了针对不同工况各平衡方法的选用原则，为今后轴向力平衡方法的正确选择提供参考和依据。
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关键词 离心泵；轴向力；平衡鼓；平衡盘
0 引言
胜利油田中心三号平台1#注水泵为BB4型9级节段式离心泵。在泵调试运行到10分钟的时候，观察到电流突然由180A升至312A，同时轴窜明显增大，紧急停机。事后拆检时发现，止推轴承损坏，叶轮与导叶严重磨损并且已经抱死在一起。评估结果是泵转子部分损坏严重，已经不能再工作。初步分析是由于在泵运行过程中，轴向力平衡装置未起到有效的平衡作用，导致轴向窜动量过大，转动部件与固定部件之间发生碰撞和磨损，最终导致故障的发生。从本次事故中可以看到轴向力产生的严重后果，以及合理选择轴向力平衡方法的重要性。
1 轴向力的产生
离心泵轴向力的产生主要包括两个部分[1]：一是，叶轮前后两侧因液体压力分布情况不同（轮盖侧压力低，轮盘侧压力高）引起的轴向力G1，其方向为自叶轮背面指向入口；二是液体流入和流出叶轮的方向和速度不同而产生的动反力G2，其方向与G1相反。则总的轴向力Gax为：
Gax=G1-G2（1）
一般情况下，G1较大，G2很小，所以轴向力的方向总是指向叶轮吸入口。
2 轴向力平衡方法
目前，常用的离心泵轴向力平衡的方法包括止推轴承、平衡孔或平衡管、平衡叶片、叶轮对称布置、平衡鼓、平衡盘以及平衡盘与平衡鼓的联合装置等方法[2]。从现场应用中可以看出，每种平衡方法都在不同的适用工况中取得了较好的使用效果。
2.1 止推轴承
止推轴承法是一种采用轴向支撑型式的轴承来直接承受轴向不平衡力的方法，此方法比较简单易行。但由于转子的轴向力并未消弱或抵消，而是直接作用在轴承上并传递到泵体上，当轴向力较大时会大大降低轴承的寿命甚至会导致泵体的振动。因此止推轴承仅适用于轴向力较小的小型泵或者作为其他平衡方法的辅助措施来使用。
2.2 平衡孔或平衡管
如图1所示，在叶轮轮盘上对着吸入口处，开几个平衡孔，使轮盘前后空间连通，同时在轮盘后侧与泵壳间增设密封环，其直径与轮盖侧密封环的相等。这样，就使叶轮轮盘前后两侧的压力基本平衡。这种方法结构较简单，但增加了内部泄漏，而且内部泄漏的液流穿过平衡孔返回叶轮入口处，会扰乱进入叶轮的主液流，增加水力损失，使泵效率略有降低。采用外部平衡管代替内部平衡孔可以减小水力损失和泵效率的降低，但结构变得复杂。
2.3 平衡叶片
平衡叶片是在叶轮轮盘背面铸出几条径向筋片。叶轮运转时，筋片带动叶轮背面间隙内的液体旋转，通过离心力将高压液体排出，从而使叶轮背面的压力下降，可以平衡作用在叶轮上的部分轴向力。但这会增加轴功率，致使效率降低，转速越高，效率下降越明显，一般不用在高转速泵上[3]。
2.4 叶轮对称布置
对于偶数级的多级泵可以通过将叶轮按背对背次序排列，如图2所示的4种方案[1]，利用背靠背叶轮轴向力相反的原理，可使总的轴向力相互抵消和平衡。其级间泄漏量小于平衡鼓、平衡盘等平衡装置的泄漏量，容积效率能提高2%以上。但由于多级泵中各级泄漏量不同或各级轮毂大小不同，对称布置并不能完全平衡轴向力，仍有一部分轴向力需由轴承承受。同时为实现叶轮的次序排列会使泵结构变得复杂。这种方法主要用于蜗壳式多级泵、节段式多级泵和潜水泵中[1][4]。
2.5 平衡鼓
平衡鼓是一个圆柱体，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转，平衡鼓外圆表面与泵体间形成径向间隙，如图3所示。平衡鼓前面是末级叶轮的后泵腔，后面是与吸入口相连通的平衡室。因此，平衡鼓前面的压力p2接近于末级叶轮的排出压力p3，而平衡鼓后面的压力p4等于吸入室中压力与平衡管中阻力损失之和。作用在平衡鼓上的前后压差会形成指向右方的平衡力F，该力用来平衡作用在转子上向左的轴向力Gax。
由于泵的工况点经常变动，使轴向力Gax与平衡力Ｆ的平衡状态受到破坏，因此，仍需装止推轴承来承受剩余轴向力。通常按平衡力△p=（0.9~0.95）Gax设计平衡鼓，其余的轴向力由推力轴承承担。
平衡鼓该法仅增设了一个圆柱状的平衡鼓，其结构较简单，可靠性高。但该结构泄漏量较大，大小约为设计点流量的5%~10%[5]。平衡鼓只能平衡部分轴向力，仍需装止推轴承承受剩余轴向力。
2.6 平衡盘
如图4所示，平衡装置中有两个间隙，一个是由轴套外圆形成的径向间隙b1，另一个是平衡盘内端面形成的轴向间隙b2，平衡盘后面的平衡室与泵吸入口联通。径向间隙前的压力是末级叶轮后腔的压力p3，通过径向间隙b1下降为p4，又经过轴向间隙b2降为p5，平衡盘前后压力不等形成压差，此压差作用在平衡盘上形成平衡力，该平衡力与轴向力方向相反，以平衡叶轮上的轴向力。
平衡盘装置前后的压力p3、p5一般是不变的，即平衡盘装置前后的压差△p不变。随着不平衡力的变化，平衡盘会自动前后移动，通过间隙b2的变化调整△p2，达到新的平衡位置，即轴向力和平衡力相等的位置。平衡盘的工作过程是处于运动平衡的过程[5]。
在机械加工精度允许的范围内尽量减小径向间隙b1，当轴向间隙b2有很小变化时，就能产生较大的平衡力增量，有利于泵转子达到新的平衡，并且泄漏量小，泵效率高。同时由于结构复杂和间隙过小，平衡盘不允许过大的轴向移动，否则，会使平衡盘与平衡板发生碰撞或研磨，引起转子振动，甚至导致转子失稳损坏。所以在流量变化或工况瞬变时易出现平衡盘与平衡板的接触和咬死现象，可靠性低。
2.7 平衡盘和平衡鼓联合装置
盘鼓结合的平衡装置由平衡鼓和平衡盘共同平衡轴向推力，综合了平衡盘和平衡鼓装置的优点，如图5所示。
由平衡鼓平衡掉大约50%~80%的轴向推力，减少了平衡盘两侧的压差，也就降低了流经轴向间隙的流速。这样，在相同的径向间隙宽度b1及长度L1的尺寸下，可得到较大的轴向间隙b2，因此，平衡盘不易磨损，工作可靠。若要求泵能干运转，为了不破坏平衡结构，在泵上增加止推轴承，联合结构可大大减轻止推轴承的负荷。所以联合结构在防止研磨和提高寿命方面有很大的优越性。采用盘鼓结合的结构会增加轴向长度，使泵的结构变得较为复杂，对其设计、加工及装配水平的要求较高。因此这种结构主要用于多级离心泵和大功率非悬臂式的高速离心泵。
通过以上论述可以看出，每种平衡方法根据其结构和工作原理的不同，都有其优点和缺点，具体见表1。
3 轴向力平衡方法的选用原则
离心泵轴向力平衡方法的选用应从泵本身的特点及平衡方式的适用性两方面考虑，通过对比分析泵的结构型式、工况条件以及平衡方式对泵性能的影响和可靠性等各方面的因素选出合理的平衡方法。
（1）轴向力较小的小型泵，可以只采用止推轴承的方式来平衡轴向力。
（2）单级泵宜采用平衡孔或平衡管、平衡叶片及双吸式叶轮法。对于转速不太高且要求高泵效的工况，则优先选用平衡叶片方式；对于转速较高的工况，则宜选用平衡孔或平衡管的方式。
（3）多级泵宜采用叶轮对称布置、平衡鼓、平衡盘以及平衡盘与平衡鼓的联合装置法。对于条件允许的工况，应优先选用叶轮对称布置的方式，可以更好的适应工况的突变，再结合止推轴承能取得较好的平衡效果；对于工况平稳，轴向力平衡要求较高的工况，宜选用平衡盘；对于泵效要求不高的非重要工况的泵，可以采用平衡鼓；对于单独采用平衡盘或平衡鼓不能满足要求的工况，特别是大功率非悬臂式高速离心泵，应考虑采用盘鼓结合的方式。
4 结束语
本文介绍了几种常用的离心泵轴向力平衡方法的结构、工作原理及特点，并从结构复杂性、平衡能力、可靠性、对泵效影响及加工制造难度方面对各平衡方法进行了对比分析，根据分析结果提出了轴向力平衡方法的选用原则。为今后离心泵轴向力平衡方法的选择提供指导。
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参考文献
［１］万邦烈,李继志.石油工程流体机械[M].北京:石油工业出版社,1999:184-186.
［２］王祥晗.浅析离心泵轴向力的平衡措施[J].炼油与化工,2007,18(2):48-50.
［３］朱祖超.高速离心泵轴向力平衡方法研究[J].工程热物理学报,2000,21(6): 713-715.
［４］关醒凡,张大恩,张光兵,等.对称布置叶轮多级泵轴向力及平衡措施[J].水泵技术,2012(4):1-3.
［５］关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京:中国宇航出版社,2011:581-585.
［责任编辑：邓丽丽］