轴向值120正常吗(轴向120是什么意思)轴向值120正常吗(轴向120是什么意思)
第三章 平衡机构轴向力的计算
3.1 叶轮轴向力计算方法
要设计一个优秀的轴向力平衡装置，首先需要知道多级泵的轴向力。通常获取轴向力的方法为公式计算和实验测试。
国内外专家学者对计算轴向力做了很多的研究，并总结出许多计算公式[8]。但是，这些公式大多为经验公式，计算起来存在一定的误差，另外公式也存在着一些问题。首先，有些公式是在特定的工作条件下总结出来的，它只适用于某些特定的场合和特定型号的泵，不能广泛的使用，有很大局限性。其次，这些公式一般都是泵在额定工况下工作总结出的。随着泵流量的不同，轴向力也会发生很大改变，在其他工况下就无法计算出准确的轴向力。再次，对于圆柱形叶片和扭曲叶片没有很好的区分，当遇到扭曲叶片的的情况，公式就无法表示出叶片的受力情况，计算结果误差较大。最后，专家在总结公式的时候，对数学模型做了很多简化，提出了一些假设。这些简化和假设就会为计算出的值带了一定的误差，无法真实计算出轴向力的大小。综上所述，用公式计算轴向力存在一定的误差和局限性，但是计算起来相对简单，在一般情况下可以满足要求，而且有进一步发展的空间，在前人的基础上采用迭代计算的方法进一步精确计算出泵腔内的流动状况，虽然还不能完全精确的计算轴向力，但是在轴向力计算方面又迈出了一步。
用实验来测量轴向力的方法有很多，根据其测量的方式分为直接和间接两种方法。直接测试法就是通过一些测试装置直接测得多级泵的轴向力。主要包括弹簧测力器、液压测力器、砝码、压力表等。这种方法可以直接测出轴向力的大小，读取方便，结果准确。但是这种方法一般需要对多级泵进行一定的改造，这会影响泵的效率，花费一定的成本。间接测试法主要是通过应变片或传感器来测量，轴向力作用在传感器上，传感器会产生电流传递到计算机上，经过计算机的分析得到轴向力的数值。这种方法实施起来比较方便，不需要改变多级泵的结构。但是，测量的结果是经过计算机的分析得到，需要反复多次测量取平均值，测量结果精确度有所降低。用实验测量轴向力仍然是目前获得轴向力最准确的方法，很多情况下都采用这种方法测量轴向力的大小。
近些年来，利用数值计算来获得轴向力的方法也被越来越多的学者使用[12]。用数值模拟的方法计算轴向力可以更精确的获得轴向力的值，并且与实验相比节省了大量的时间和成本，已经成为一个发展趋势。
对于多级离心泵，DG155-67选择平衡盘法较为合适，泵转子支承为滑动轴承，油脂润滑，轴向推力平衡采用平衡盘结构。轴封可采用填料密封或机械密封[8,9]。
3.2 轴向力的计算
多级离心泵的优化设计及轴向力研究可以看出，前盖板在进口部分没有盖板而后盖板有，这就造成了不对称性。另外，随着叶轮的转动，叶轮前、后盖板带着前后腔内的流体一起旋转，造成盖板侧腔内流体的压力呈抛物线规律分布。前后盖板上的压力分布不同，存在压力差，这就形成了一个指向前盖板的力。
离心泵在运转过程中会产生轴向力，特别是多级离心泵，由于各级叶轮上的周心理的累积，作用在泵轴上的总轴向力将会很大，甚至会达到几吨或者更大。其产生原因如图3.1所示。
图3.1 多级离心泵轴向受力示意图
泵在运行时，叶轮吸入口的压力为P1，而叶轮背面的压力为P2，且P2大于P1.叶轮前盖板前的A室和后盖板的B室内液体的角速度等于叶轮角速度的一半【10.11】。
为了计算A、B室压力变化规律可以在B室内取微小流体，设其质量为dm，宽度W.若叶轮角速度w，那么，在半径为R出该dm小块所受离心力dF为:
而小流体的质量:
=
故流体压力dp
这样，叶轮前后的A、B室内液体的压力应为:
上式积分可得：
其中，U2是叶轮出口出的圆周速度。可以看出，叶轮前后盖板的AB两室中液体压力是按抛物线规律变化的。在R1至R2范围内，叶轮前后盖板所受流体压力相互平衡；而在Rh至R1范围内，由于后盖板所受的液体的压力P2大于入口处液体的压力P1,将会产生一个指向吸入口的轴向力。每个叶轮受到轴向力为
=
对于多级离心泵来说，转子受到的总轴向力是各级叶轮所受轴向力的叠加。
此外，在泵启动时液体进口叶轮瞬间会对叶轮产生一冲击力。根据动量定理:
式中，C0为叶轮入口处液体流速，所以，单片叶轮收到的轴向力为：
此方法将传统平衡机构轴向力平衡由动态转化为静态，平衡盘平衡剩余的轴向力由平面推力轴承来承担。杜绝了泵在起动一瞬间及运行中平衡盘与平衡环相互摩擦的可能，大大提高了泵运行的可靠性新型平衡机构有利于保证叶轮流道与导叶对中，从而提高泵运行的效率[12.13]。
3.3 轴向力近似计算
（3.3.1）
式中：
T一 总的轴向力，N；
一 泵单级扬程，m；
一 叶轮密封环半径，m；
一 叶轮有效轮毂半径，m；
i一 泵级数；
k一 经验系数，当n=30～100时，k=0.6；当n=100～200时，k=-0.7；当n=240～280时，K=0.8。
公式（1）是在一种经验公式，该公式比较常用。平衡盘前面的压力来自于末级叶轮后腔，后面的压力来自于与泵进口相连的平衡室。当前面的压力大时，平衡盘向右移动，使得平衡盘前面的力逐渐减小，当后面的力大于前面时，平衡盘就会向右移动使前面的力增大。这样平衡盘就始终处在一个动态平衡的过程中。平衡盘经过多年的发展也平衡盘[13.14]。
一般情况下，由于计算的误差、制造和装配等原因，平衡装置无法完全平轴向力，会有一部分未得到平衡的力，这时就需要一些辅助手段来平衡掉这部分力。通常，人们会使用推力轴承来平衡多余的轴向力。由于推力轴承有寿命，这样每隔一段时间就需要更换轴承，如果没有按时更换推力轴承就可能造成多级泵的损坏，十分不便。根据轴向力产生的原因可以选择一些改进方法来平衡多余的轴向力。首先，轴向力一部分是由于前后盖板不对称引起的。因此，可以通过改变叶轮口环直径来减小轴向力。文献[15]中研究了改变叶轮口环直径和在前盖板安装副叶片来平衡海水淡化提升用泵轴向力的方法。另外，轴向力还包含动反力。文献[16]中主要研究了，在使用双密封环加平衡孔平衡轴向力时，通过改变前后密封环的直径来平衡多余的轴向力。前后密封环的直径相同平不是最佳选择，若使后密封环的直径小于前密封环的直径，就可以获得一个与动反力方向相反的力，这样就可以平衡多余的轴向力。
3.4 小结
在多级给水泵中,轴向力平衡机构是多级给水泵的重要组成部分。多级给水泵的轴向力平衡装置设计与分析,具有工程背景和实用价值。
本文分析了多级给水泵轴向力产生的原因和影响轴向力的因素,介绍了几种计算轴向力的主要方法,对比了几种轴向力平衡装置的结构特点、工作机理、优缺点；基于流体力学、流体动力学理论,给出了多级离心泵的轴向力计算方法及步骤,提出了以平衡装置优化改进方法。
学号 20111801050309
密级 公开
兰州城市学院本科毕业论文
多级离心泵轴向力的分析计算
学 院 名 称：培黎石油工程学院
专 业 名 称：油气储运工程
学 生 姓 名：李进春
指 导 教 师：李鲤教授
二○一五年五月
BACHELOR'S DEGREE THESIS
OF LANZHOU CITY UNIVERSITY
Multistage centrifugal pump axial force analysis and calculation
College ： Lanzhou City college
Subject ： Oil and gas storage and
transportation engineering
Name ： Li Jin chun
Directed by ： Li li Professor
May 2015
郑 重 声 明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名： 日期：______________
摘 要
多级离心泵多用于高扬程、大流量的场合。泵在作时，转子上作用着轴向力，如果不设法除去作用在转子上的轴向力，此轴向力将拉动转子轴，固定零件接触，造成泵零件的损坏以至不能正常工作，因此，必须设法消除或平衡此轴向力。本文将阐述多级泵的工作原理及轴向力的平衡原理，推导轴向力的计算过程，为多级离心泵的优化设计和正确采用平衡轴向力的措施，提供了理论基础。轴向力的平衡，可以提高水泵运转的稳定性和使用寿命，大大增加设备的使用率。通过对离心泵的国内外研究与发展现状的归纳，得出当前需要解决的问题，明确了基本技术路线。
关键词：多级离心泵；优化设计；轴向力
ABSTRACT
Multistage centrifugal pump for high head and large discharge. In pump, rotor effect on axial force, if not try to remove the effect on the rotor of the axial force and the axial force will drive the rotor shaft, the fixed contact parts, pump parts damage that does not work, therefore, must try to eliminate or to balance the axial force. This paper describes the working principle of multistage pump and axial force balance principle, the calculation process of axial force is derived, for optimal design of multi-stage centrifugal pump and the correct use measures to balance the axial force, provides a theoretical basis. The balance of axial force, can improve the stability and service life of pump operation, greatly increase the utilization rate of equipment. Through to the present situation of research and development of centrifugal pump, it is concluded that the present problems need to solve, has been clear about the basic technical route.
Key wards: multistage centrifugal pump;optimized design;axial force
目 录
2 绪 论
21.1研究背景
21.2研究目的及意义
第一章 多级离心泵简介
41.1 多级离心泵的工作原理
41.2 多级离心泵的基本结构
第二章 多级离心泵的轴向力分析
72.1 轴向力的产生
82.2 多级泵轴向力的平衡装置
82.2.1轮对称布置法
92.2.2 平衡鼓法
92.2.3 平衡盘法
102.2.4 平衡盘鼓法
102.2.5 双平衡鼓法
102.2.6 平衡盘和平衡鼓联合结构
第三章 平衡机构轴向力的计算
113.1 叶轮轴向力计算方法
123.2 轴向力的计算
143.3 轴向力近似计算
153.4 小结
16结 论
17参考文献
绪 论
1.1研究背景
多级泵被广泛应用于工业和生活的各个场合中。据统计，每年的电力消耗中泵约占20％，燃油消耗也相当的可观。多级离心泵在泵类所有的产品中占多数，多级离心泵的用途广泛，其使用率占所有泵产品的一半以上，多级离心泵性能的水平直接影响整个泵类产品的性能水平。目前，国外多级离心泵的平均运行效率有60%-70％，普遍比国内高10％～30％，每年可节约用电300～400亿千瓦[1]。所以为了满足设计条件，提高离心泵的效率，降低能源消耗是一个现实的迫切需要解决的问题。多级离心泵多用于高扬程、大流量的场合，由于它以上的特点所消耗的功率也是很大的。多级泵主要用于排灌、石油工业、造船工业、建筑工业等大型的工程项目。随着国民经济的快速发展，自然环境的恶化和水资源的短缺，各行各业为了降低成本和提高竞争力，对多级泵的性能要求越来越高。而多级离心泵用量大，应用广泛，能耗高，近年来一直是节能的主要对象[2]。
近年来，多级离心泵在许多工程中得到广泛的应用，这些项目对中国的发展起着支柱一样的作用。而这些项目工程不仅为泵的研究提供了新的发展方向，也对泵的设计和制造带来了新的挑战。泵在运行过程中，受转子的轴向力的影响，将驱动转子轴向运动。所以，要想办法抵消或平衡轴向力，保障泵的正常运转。轴向力是决定多级泵可靠性的关键因素，轴向力如果无法得到很好的平衡，会造成多级泵的损坏，严重影响泵的使用寿命。一些新型的平衡装置不仅能满足特定的要求，还能起到提高泵的效率的作用，减少或避免传统平衡装置因为泄露产生的效率损失。研究流体机械多级离心泵的优化设计及轴向力研究新的发展方向[3]。
1.2研究目的及意义
多级离心泵在国民经济各部门应用很广，特别是用于高速、高温、高压条件下时，对泵机组的可靠性要求很高。而其中影响泵可靠运行的一个重要方面就是平衡机构（平衡盘或平衡鼓）和推力轴承的设计。一般在多级离心泵的叶轮上不考虑采取平衡轴向力的结构，因此，泵轴向力计算的准确程度影响到平衡机构、推力轴承的设计和使用，如果轴向力设计不当，会产生巨大的残余轴向力，引起泵的转子部分整体向驱动机方向移动，致使泵出现噪音、振动等失稳现象，严重会造成泵损坏，进而导致驱动机烧毁。
随着经济的发展和技术的进步，在多级离心泵行业的要求也越来越高，如效率高，无驼峰，无过载等。从经济角度看，泵的性能越高，对能量的消耗就越低,结构越简单，维修起来就越方便。优化设计是传统的设计方法，实验与设计方法的优势相结合，是设计者最关心的问题，也是实现良好性能的泵的主要措施[4]。
第一章 多级离心泵简介
1.1 多级离心泵的工作原理
多级离心泵的工作原理与地面离心泵的一样，当电机带动轴上的叶轮高速旋转时，充满在叶轮内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心沿着叶片间的流到甩向四周，由于液体收到叶片的作用，是压力和速度同时增加，经过导壳的流道而被引向次一级的叶轮，就是这样的工作原理，逐次地流过所有的叶轮和导壳，进一步是液体的压力能量增加。将每个叶轮逐次叠加之后，就获得一定扬程，将井下的液体举升到地面。
1.2 多级离心泵的基本结构
多级离心泵是若干个叶轮安装在同一泵轴上，叶轮的外侧是液体导流装置及泵壳。然而，如何将叶轮组安装在泵体内或者从泵体内取出呢?无外乎两个办法，一个是将泵体及导流装置沿泵轴的轴线水平剖分，使其成为上下两部分，这叫水平剖分式多级离心泵；另一个办法是将泵体及液体导流装置沿泵轴方向在叶轮之间以垂直于泵轴的平面剖切成若干个段，这叫分段式多级离心泵DG155-67，如图1.1。这种泵采用蜗壳形泵体，每个叶轮的外围都有相应的蜗室，相当于将几个单级蜗壳泵装在同一根轴上串联工作，所以又叫蜗壳式多级泵。由于泵体是水平剖分式，吸入口和排出口都直接铸在泵体上，检修时很方便，只需把泵盖取下，即可暴露整个转子，在检修转子时，需将整个转子吊出时，不必拆卸连接管路。这种泵的叶轮通常为偶数对称布置，大部分轴向力得到平衡，因而不需要安装轴向平衡装置。水平剖分式多级泵流量范围为6.3～600m'/h, 最高扬程可达850m，由于叶轮对称布置，泵壳内有交叉流道，所以它比同性能的分段式多级泵体积大，铸造工艺复杂，泵盖和泵体的定位要求高，在压力较高时，泵盖和泵体的结合面密封难度大。多级离心泵的结构，在压力较高时，通常采用多级离心泵。这种泵是一种垂直剖分多级泵，它有一个前段、一个尾段和若干个中段组成，用四个长杆螺栓连接为一个整体。安装在泵轴上的叶轮的个数就代表离心泵的级数，中段的每个叶轮配一个导轮，导轮的作用基本上同蜗壳相同，主要是将动能转化为静压能。叶轮一般为单吸的，吸入口都朝向一个方向。为了平衡轴向力，在末段后面装有平衡盘，并用平衡管和前段进口相连通。其转子在工作过程中可以沿轴向左右窜动，靠平衡盘的推力平衡叶轮组的轴向力，将转子维持在平衡位置附近。轴的两端用轴承支承，并置于轴承座上，轴的两端均有轴封装置。根据使用场合不同，分段式多级离心泵可分为一般分段式多级离心泵锅炉给水泵输送液体的温度在-20--105℃，出口压力在10MPa以上。考虑到温度变化的影响，泵的转动部分大多采用膨胀系数相同的合金材料。叶轮安装在泵轴上，最后留有0. 50mm左右的轴向间隙，防止开车初期由于叶轮先受热膨胀，叶轮与叶轮之间互相挤压，造成泵轴的拉伸破坏。泵轴的支承采用中心支承式，这样，开车后泵体的热膨胀是以泵轴线为中心向四处辐射，机组的找正不会受到破坏，转子在泵壳中暮终处于居中位置[5,6]。
图1.1 多级离心泵结构
1—轴；2—轴承结合部；3—轴套；4—前段；5—导叶；6—中段；
7—密封环；8—叶轮；9—后段；10—平衡盘；11—平衡板
为了消除热胀冷缩对机组同心的影响，高压锅炉给水泵壳体下部设有纵向滑销和垂直滑销，它们分别与泵座上的销槽和销孔相配。泵的轴承座分别安装在两端的前段和后段上，每个轴承座上设有三支调节螺钉，用以调节轴承与泵壳的同心度。
叶轮在运转中要产生轴向推力。平衡多级泵轴向推力的措施有两个：对于水平剖分式多级泵采用叶轮对称布置，将叶轮正反向安装，使叶轮轴向推力互相抵消，两两平衡；对于分段式多级离心泵，由于时轮同向安装，产生的轴向力方向一致，则在末级叶轮后端安装上推力平衡装置，用以平衡各级叶轮所产生的轴向推力。
一般情况下，分段式多级离心泵的转子在轴向的窜动量为0.10—0.15mm，窜动的次数为每分钟10～20次。因此，运行中如果介质中含有泥沙或其他固体物质，则平衡盘和平衡环容易磨损。为了抵抗磨损，延长零件的使用寿命，通常情况下，平衡盘和平衡环是用耐磨金属制成的，如青铜、灰铸铁等。
分段式多级离心泵中段每个叶轮的外面均安装有一个导轮，导轮是一个固定不动的圆盘，它的作用是把从叶轮甩出的液体的一部分动能通过减速而转化为静压能，并且把这些液体收集后沿径向回流而导人到下一级叶轮人口处。寻轮的正面有环绕在叶轮外缘的正向导叶.背面有将液体引向下一级叶轮人口的反向导叶，液体从叶轮甩出后.平缓地进入与液体流速方向一致的正向导叶，沿正向导叶继续向外流动，速度逐渐降低，静压能不断提高，到达导轮最外侧的空腔时.流速最小，静压能最高。液体从正向导叶流出后，沿轴向绕过导轮内部间隔板，再沿反向导叶向内侧流动，同时降低环向流速.沿轴向进入下一级叶轮。与蜗壳相比，导轮外形尺寸较小，将动能转化为静压能的效率也较低。由于导轮中有多个叶片，当泵的实际工况与设计工况偏离时，液体流出叶轮时的运动轨迹与导轮叶片形状不一致，使其产生较大的冲击损失而造成效率的降低，故使用导轮装置的离心泵，高效工作区域较窄，扬程和效率曲线均比蜗壳泵的陡。但由于导轮具有中心对称性，不会像蜗壳那样产生作用在转子上的径向压力，所以多级泵一般在首尾两段使用蜗壳，而在中部若干段使用导轮。由于导轮的几何形状较为复杂，所以一般用铸铁铸造而成。
同单级离心泵一样，立式多级离心泵不具有自吸能力，启动前必须灌泵。各种多级离心泵工作原理均是由叶轮带动液体高速旋转，使液体产生离心力而获得能量。这样，处于一段叶轮前侧吸人室内的液体进入第一级叶轮，经叶轮对其做功后，甩入第一级导轮，经第一级导轮转能后，再进入第二级叶轮，由第二级叶轮继续对其做功，然后再进入第二级导轮，依此类推，直至从末段叶轮甩出，经蜗壳收集后，送至排出口排出。
第二章 多级离心泵的轴向力分析
2.1 轴向力的产生
多级离心泵在电力、石油化工等行业被广泛应用。轴向力平衡装置的选取是泵组设计的关键问题，检查平衡装置是否需要更换或优化也是多级离心泵维修中的一项重要工作。泵组运转过程中，若平衡装置不能中和泵组产生的轴向力， 则会造成泵动静部件摩擦而降低效率，严重时泵转子与各静部件咬死而导致泵损坏。多级离心泵为多级分段式，其吸入口位于进水段上，成水平方向，吐出口在水段上垂直向上，其扬程可根据使用需要而增减水泵级数。水泵装配良好与否，对性能影响关系很大，尤其是各个叶轮的口出与导翼的进出中心，其中稍有偏差即将使水泵的流量减少，扬程降低效率差，故在检修装配时务必注意。
多级离心泵主要零件有:进水段、中段、出水段、叶轮、导翼挡板、出水段导翼、轴、密封环、平衡环、轴套、尾盖及轴承体。进水段、中段、导叶挡板、出水段导翼、出水段及尾盖均为铸铁制成，共同形成泵的工作室。叶轮为优质铸铁制成，内有叶片，液体沿轴向单侧进入，由于叶轮前后受压不等，必然存在轴向力，此轴向力由平衡盘来承担，叶轮制造时经静平衡试验。轴为优质炭素钢制成，中间装有叶轮，用键、轴套及轴套螺母固定在轴上。轴的一端装联轴器部件，与电机直接连接。密封环为铸铁制成，防止水泵高压水漏回进水部分，分别固定在进水段与中段之上，为易损件，磨损后可用备件更换。平衡环为铸铁制成，固定在出水段上，它与平衡共同组成平衡装置。平衡盘为耐磨铸铁制成，装在轴上，位于出水段与尾盖之间，平衡轴向力。轴套为铸铁制成，位于填料室处，作固定叶轮和保护泵轴入用，为易损件，磨损后可用备件更换。轴承是单列向心球轴承，采用钙基润滑脂润滑。填料起密封作用，防止空气进入和大量液体漏出，填料密封由进水段和尾盖上的填料室，填料压盖，填料环及填料等组成，少量高压水流入填料室中起水封作用。填料的松紧程度必须适当，不可太紧亦不可太松，以液体能一滴一滴的渗出为准。如果填料太紧，轴套容易发热，同时耗费功率。填料太松，由于液体流失要降低水泵的效率。
多级离心泵轴向力的产生包括以下几种：因作用在各叶轮吸入端(驱动端）和吐出端（自由端）的压力不相等，从而产生指向泵驱动端的轴向力；液体从吸入口到排出口改变方向时作用在叶片上的力,指向叶轮背面，称为动反力；由于泵内叶轮进口压力与外部大气压不同，在轴端和轴台阶上产生的轴向力, 立式泵转子重量引起的向下的轴向力，其他轴向力。
2.2 多级泵轴向力的平衡装置
泵在运行过程中，受转子的轴向力的影响，将驱动转子轴向运动。所以，要想办法抵消或平衡轴向力，保障泵的正常运转。轴向力是决定多级泵可靠性的关键因素，轴向力如果无法得到很好的平衡，会造成多级泵的损坏，严重影响泵的使用寿命。传统的平衡装置经过多年的发展已经成熟，专家学者也不断改进其结构来获得更好的效果。近年来，一些专家也设计出了很多新型的平衡装置，来适应各种不同的应用场合。一些新型的平衡装置不仅能满足特定的要求，还能起到提高泵的效率的作用，减少或避免传统平衡装置因为泄露产生的效率损失[10]。
总轴向力会使转子轴向窜动，造成泵动静部件摩擦，平衡装置的两端有一个压力差，其中的液体形成一个与总轴向力方向相反的平衡力，平衡力大小随平衡盘的移动而变化，直到与轴向力抵消，但由于惯性的作用转子不会立即停止窜动，而是在平衡位置左右窜动且幅度不断减小，最终停留在平衡位置，故随着运行工况的变化，泵转子始终处于动态平衡状态。平衡装置的设计为多级离心泵设计中的重点，包括叶轮对称布置（适用于偶数级泵）与平衡盘(鼓)法两大类,平衡盘（鼓)法又包括平衡鼓、平衡盘、平衡盘鼓、双平衡鼓形式,随着结构的逐渐复杂，平衡效。平衡盘（鼓）法多与推力轴承配合使用，在设计平衡盘（鼓）时，一般不考虑推力轴承平衡的轴向力,保证泵在推力轴承损坏的情况下，平衡盘（鼓)仍能正常。
2.2.1轮对称布置法
叶轮级数为偶数时可采用叶轮对称布置法平衡轴向力，设计上要注意反向叶轮入口前的密封节流衬套尺寸要与叶轮轮毂尺寸一致。此方法多用于蜗壳式多级泵用于节段式泵时会增加级间泄露。这种结构一般用在流道式多级泵、双筒节段式多级泵中。这种平衡轴向力的效果最好，只有在叶轮个数为奇数情况下，最多有一级叶轮产生的轴向力无法平衡。当使用这种形式平衡轴多级离心泵的优化设计及轴向力研究轴向力时，通常会使泵的结构变的复杂，而且还需要一定的条件才能使用。对于节段式多级泵，叶轮对称布置会增加级间的泄露量，影响泵的整体效率。
根据使用条件，可配用油润滑或脂润滑轴承部件，能更好地满足用户的要求。加油和排油孔的布置合理，使轴承保持良好的润滑状态。轴承体配备有我公司专利通气塞，轴承室通风散热效果好，而外界杂质则不易进入轴承体。自平衡多级泵轴承部件温升低，寿命长。
2.2.2 平衡鼓法
英国 WEIR 公司确定平衡鼓直径为首级叶轮密封环直径的 93%。平衡鼓法承受平衡力过大，在大流量工况下容易引起轴向力反向， 引起转子振动。衡鼓为圆柱体，在泵工作时它可以和叶轮一起旋转。平衡鼓的外圆柱面与泵体之间有间隙。在平衡鼓前方是泵的后腔，背后是平衡室。这样在平衡鼓前后压差的作用下，使得整个转子产生力，方向与盖板力相反，该力用来平衡转子上的轴向力[11]。这种平衡方法一般用于扬程较低的多级泵中，对于高扬程泵，如果轴向力计算不准确或平衡鼓设计不当，对泵的运转存在很大的危险性。
2.2.3 平衡盘法
平衡盘结构法如图3.1，多级泵分段式离心泵，这种方法是在不同工况下可自平衡轴向力，结构上的优点：除了轴套与泵体之间有一个径向间隙b。平衡盘端面与泵体之间有一个轴向间隙b0。
平衡盘的后面食欲泵吸入口想通的平衡室，液体压力为比吸入口压力稍大的p0。径向间隙前的液体压力是魔级叶轮背面的压力p，液体流过径向间隙后压力将为p1。平衡盘的灵敏度越高，平衡盘的径向尺寸越大，通常取k=0.3-0.5，泄漏量一般为额定流量的4-10%，但高扬程小流量泵可能高达20%。
对于目前使用的多级泵平衡盘装置都是经过了多年的生产验证的，因此平衡盘的设计方面是不存在问题的，如果平衡盘装置发生故障，就需要我们从其他方面寻找原因了。
2.2.4 平衡盘鼓法
平衡盘鼓联合装置与平衡盘的区别是：平衡盘鼓的节流轴套部分尺寸比轮毂尺寸大，而平衡盘节流轴套部分与轮毂同尺寸。平衡盘鼓结构与各部分承担轴向力， 通常由平衡鼓平衡总轴向力的 50-80%，最大可到 90%， 增加平衡鼓的平衡力， 有利于减小平衡盘的尺寸和增加轴向间隙，减少平衡盘的磨损。通常平衡盘外半径 RW=(1.2-1.4）Rn，平衡盘轴向间隙长度b0=（0.2-0.4）Rn。
2.2.5 双平衡鼓法
双平衡鼓实质上就是在平衡盘鼓联合装置基础上，在平衡盘外径上增加一道径向间隙，使平衡盘起到部分平衡鼓的作用，这样可以使轴向间隙进一步加大，进而减少平衡盘的磨损和降低轴向间隙对装配的要求,同时也增加了阻力损失，减少平衡水的泄露量。双平衡鼓结构与各部分承担轴向力，一般由平衡鼓平衡（小鼓 ）50%-70%的轴向力,平衡盘（大鼓） 平衡剩余的轴向力。一般选小鼓的径向间隙长度120-160mm，大鼓的径向间隙长度40-80mm，大鼓的轴向间隙0.15-0.25mm，轴向间隙大，平衡盘不易产生摩擦，但平衡室压力下降，会减少大鼓的平衡力。
2.2.6 平衡盘和平衡鼓联合结构
所谓平衡盘和平衡鼓联合结构是指增大径向间隙的所在直径。这种结构可以减小平衡盘径向尺寸，减少平衡装置的磨损，工作可靠性高，但因径向间隙泄漏面积增加，泄漏量会随之增加。
总之，平衡装置的设计是多级泵设计中的关键问题之一，选择合适的平衡装置对泵组平稳运行、节省维护费用意义重大[7]。
第三章 平衡机构轴向力的计算
3.1 叶轮轴向力计算方法
要设计一个优秀的轴向力平衡装置，首先需要知道多级泵的轴向力。通常获取轴向力的方法为公式计算和实验测试。
国内外专家学者对计算轴向力做了很多的研究，并总结出许多计算公式[8]。但是，这些公式大多为经验公式，计算起来存在一定的误差，另外公式也存在着一些问题。首先，有些公式是在特定的工作条件下总结出来的，它只适用于某些特定的场合和特定型号的泵，不能广泛的使用，有很大局限性。其次，这些公式一般都是泵在额定工况下工作总结出的。随着泵流量的不同，轴向力也会发生很大改变，在其他工况下就无法计算出准确的轴向力。再次，对于圆柱形叶片和扭曲叶片没有很好的区分，当遇到扭曲叶片的的情况，公式就无法表示出叶片的受力情况，计算结果误差较大。最后，专家在总结公式的时候，对数学模型做了很多简化，提出了一些假设。这些简化和假设就会为计算出的值带了一定的误差，无法真实计算出轴向力的大小。综上所述，用公式计算轴向力存在一定的误差和局限性，但是计算起来相对简单，在一般情况下可以满足要求，而且有进一步发展的空间，在前人的基础上采用迭代计算的方法进一步精确计算出泵腔内的流动状况，虽然还不能完全精确的计算轴向力，但是在轴向力计算方面又迈出了一步。
用实验来测量轴向力的方法有很多，根据其测量的方式分为直接和间接两种方法。直接测试法就是通过一些测试装置直接测得多级泵的轴向力。主要包括弹簧测力器、液压测力器、砝码、压力表等。这种方法可以直接测出轴向力的大小，读取方便，结果准确。但是这种方法一般需要对多级泵进行一定的改造，这会影响泵的效率，花费一定的成本。间接测试法主要是通过应变片或传感器来测量，轴向力作用在传感器上，传感器会产生电流传递到计算机上，经过计算机的分析得到轴向力的数值。这种方法实施起来比较方便，不需要改变多级泵的结构。但是，测量的结果是经过计算机的分析得到，需要反复多次测量取平均值，测量结果精确度有所降低。用实验测量轴向力仍然是目前获得轴向力最准确的方法，很多情况下都采用这种方法测量轴向力的大小。
近些年来，利用数值计算来获得轴向力的方法也被越来越多的学者使用[12]。用数值模拟的方法计算轴向力可以更精确的获得轴向力的值，并且与实验相比节省了大量的时间和成本，已经成为一个发展趋势。
对于多级离心泵，DG155-67选择平衡盘法较为合适，泵转子支承为滑动轴承，油脂润滑，轴向推力平衡采用平衡盘结构。轴封可采用填料密封或机械密封[8,9]。
3.2 轴向力的计算
多级离心泵的优化设计及轴向力研究可以看出，前盖板在进口部分没有盖板而后盖板有，这就造成了不对称性。另外，随着叶轮的转动，叶轮前、后盖板带着前后腔内的流体一起旋转，造成盖板侧腔内流体的压力呈抛物线规律分布。前后盖板上的压力分布不同，存在压力差，这就形成了一个指向前盖板的力。
离心泵在运转过程中会产生轴向力，特别是多级离心泵，由于各级叶轮上的周心理的累积，作用在泵轴上的总轴向力将会很大，甚至会达到几吨或者更大。其产生原因如图3.1所示。
图3.1 多级离心泵轴向受力示意图
泵在运行时，叶轮吸入口的压力为P1，而叶轮背面的压力为P2，且P2大于P1.叶轮前盖板前的A室和后盖板的B室内液体的角速度等于叶轮角速度的一半【10.11】。
为了计算A、B室压力变化规律可以在B室内取微小流体，设其质量为dm，宽度W.若叶轮角速度w，那么，在半径为R出该dm小块所受离心力dF为:
而小流体的质量:
=
故流体压力dp
这样，叶轮前后的A、B室内液体的压力应为:
上式积分可得：
其中，U2是叶轮出口出的圆周速度。可以看出，叶轮前后盖板的AB两室中液体压力是按抛物线规律变化的。在R1至R2范围内，叶轮前后盖板所受流体压力相互平衡；而在Rh至R1范围内，由于后盖板所受的液体的压力P2大于入口处液体的压力P1,将会产生一个指向吸入口的轴向力。每个叶轮受到轴向力为
=
对于多级离心泵来说，转子受到的总轴向力是各级叶轮所受轴向力的叠加。
此外，在泵启动时液体进口叶轮瞬间会对叶轮产生一冲击力。根据动量定理:
式中，C0为叶轮入口处液体流速，所以，单片叶轮收到的轴向力为：
此方法将传统平衡机构轴向力平衡由动态转化为静态，平衡盘平衡剩余的轴向力由平面推力轴承来承担。杜绝了泵在起动一瞬间及运行中平衡盘与平衡环相互摩擦的可能，大大提高了泵运行的可靠性新型平衡机构有利于保证叶轮流道与导叶对中，从而提高泵运行的效率[12.13]。
3.3 轴向力近似计算
（3.3.1）
式中：
T一 总的轴向力，N；
一 泵单级扬程，m；
一 叶轮密封环半径，m；
一 叶轮有效轮毂半径，m；
i一 泵级数；
k一 经验系数，当n=30～100时，k=0.6；当n=100～200时，k=-0.7；当n=240～280时，K=0.8。
公式（1）是在一种经验公式，该公式比较常用。平衡盘前面的压力来自于末级叶轮后腔，后面的压力来自于与泵进口相连的平衡室。当前面的压力大时，平衡盘向右移动，使得平衡盘前面的力逐渐减小，当后面的力大于前面时，平衡盘就会向右移动使前面的力增大。这样平衡盘就始终处在一个动态平衡的过程中。平衡盘经过多年的发展也平衡盘[13.14]。
一般情况下，由于计算的误差、制造和装配等原因，平衡装置无法完全平轴向力，会有一部分未得到平衡的力，这时就需要一些辅助手段来平衡掉这部分力。通常，人们会使用推力轴承来平衡多余的轴向力。由于推力轴承有寿命，这样每隔一段时间就需要更换轴承，如果没有按时更换推力轴承就可能造成多级泵的损坏，十分不便。根据轴向力产生的原因可以选择一些改进方法来平衡多余的轴向力。首先，轴向力一部分是由于前后盖板不对称引起的。因此，可以通过改变叶轮口环直径来减小轴向力。文献[15]中研究了改变叶轮口环直径和在前盖板安装副叶片来平衡海水淡化提升用泵轴向力的方法。另外，轴向力还包含动反力。文献[16]中主要研究了，在使用双密封环加平衡孔平衡轴向力时，通过改变前后密封环的直径来平衡多余的轴向力。前后密封环的直径相同平不是最佳选择，若使后密封环的直径小于前密封环的直径，就可以获得一个与动反力方向相反的力，这样就可以平衡多余的轴向力。
3.4 小结
在多级给水泵中,轴向力平衡机构是多级给水泵的重要组成部分。多级给水泵的轴向力平衡装置设计与分析,具有工程背景和实用价值。
本文分析了多级给水泵轴向力产生的原因和影响轴向力的因素,介绍了几种计算轴向力的主要方法,对比了几种轴向力平衡装置的结构特点、工作机理、优缺点；基于流体力学、流体动力学理论,给出了多级离心泵的轴向力计算方法及步骤,提出了以平衡装置优化改进方法。
结 论
由于本人水平有限，文章还存在很多不完善的地方。多级泵的轴向力分析研究是一个系统的工程，需要反复的研究。轴向力的计算和平衡装置的设计也需要进一步的投入。多级离心泵的设计经过多年的发展已经比较成熟。多级离心泵数值模拟的方法，在计算轴向力可时以精确的获得轴向力的值，并且与实验相比节省了大量的时间和成本，用平衡盘来平衡CG166-67轴向力是非常成熟的技术了。采用离心泵轴向力近似计算公式，可以估算其他平衡轴向力计算是否正确。
用平衡盘来获取平衡力会产生泄露，泄露会影响效率。因此，可设计新型的平衡装置，从而更好的平衡轴向力，提高效率。 本人接触多级离心泵的优化设计及轴向力研究的时间较短，学术水平和研究能力有限。文中难免存在不足和错误之处，敬请各位读者和专家批评指正。
参考文献
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[2] 詹红菱．反渗透(SWRO)海水淡化高压泵的选型方法[J].水工业市场,2009，(10):23-26．
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[7] 柴立平,王俊，肖霞平．反渗透海水淡化高压多级泵的轴向力平衡机构[J]．排灌机械，2009.
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致 谢
本论文是在导师李鲤教授的悉心指导下顺利完成的，从开题报告到论文撰写，处处凝结着，李老师的心血。李老师严谨求实、勇于创新的学术精神和工作作风使我受益匪浅。四年的大学学习，李老师给了我们创造了很多锻炼发展的机会，这段经历将会使我受益终生。学生的每一点进步都包含着李老师的辛劳和教诲，在此谨向李老师表示最衷心的感谢，并致以崇高的敬意，正是在李老师的严格要求下，我的毕业设计才能够不断完善。最后，要感谢我的父母和家人对我这么多年来的支持和关心。他们给予我无微不至的关怀，对我的期望是我克服困难的动力。同时，对所有关心和帮助我的朋友们表示诚挚谢意.
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结 论
由于本人水平有限，文章还存在很多不完善的地方。多级泵的轴向力分析研究是一个系统的工程，需要反复的研究。轴向力的计算和平衡装置的设计也需要进一步的投入。多级离心泵的设计经过多年的发展已经比较成熟。多级离心泵数值模拟的方法，在计算轴向力可时以精确的获得轴向力的值，并且与实验相比节省了大量的时间和成本，用平衡盘来平衡CG166-67轴向力是非常成熟的技术了。采用离心泵轴向力近似计算公式，可以估算其他平衡轴向力计算是否正确。
用平衡盘来获取平衡力会产生泄露，泄露会影响效率。因此，可设计新型的平衡装置，从而更好的平衡轴向力，提高效率。
本人接触多级离心泵的优化设计及轴向力研究的时间较短，学术水平和研究能力有限。文中难免存在不足和错误之处，敬请各位读者和专家批评指正。
