【康沃真空網】一、軸向力的產生及危害
水泵在正常運轉過程中，其主軸會產生軸向力。由于泵腔內流體流動，必然會對主軸產生動反力，因而泵工作時產生軸向力不可避免。轉子在軸向力的作用下，產生軸向位移，造成動靜部間相互研磨、碰撞，導致水泵嚴重損壞。軸向力的存在會造成水泵無法長時間平穩運行，降低其使用壽命和整體性能，嚴重時甚至危及操作人員的安全。因此，平衡水泵軸向力，是提高水泵主軸性能，從而提升水泵整體性能及安全性的關鍵。
除以上必然因素造成泵轉子產生軸向力外，其他不合理因素也會導致軸向力，主要有以下幾種:
1、當泵在正常運行時，葉輪吸入口處的壓力為P1，葉輪背面的壓力為P2,且P2>P1。因此沿著泵的軸向方向就會產生一個推力F1。
2、液體流經葉輪后，由于流動方向變化所產生的動反力F2。在多級離心泵中，流體通常由軸向流入葉輪，徑向流出，流動方向的變化是由于液體受到葉輪的作用力，因此液體也反作用給葉輪一個大小相等、方向相反的力。由于葉片上壓力分布不對稱而引起的軸向力F
3。葉片工作面壓強大于葉片背面的壓強，其所形成的壓力差也將產生軸向力。
4、由于葉輪流道內的壓力分布不對稱而產生的軸向力F4。
5、對子立式泵而言，其內部的轉子是有重力的，這會成為軸向力的組成部分；而對于臥式泵，這個軸向力是不存在的。
6、葉輪前后蓋板不對稱；
7、軸臺階，軸端等結構設計存在不合理因素；
8、其他因素引起轉子產生軸向力，如泵腔內徑向流。
在眾多產生軸向力的因素中，泵腔內流體的動反力以及葉輪前后蓋板不對稱是轉子產生軸向力的主要原因。
二、水泵軸向力平衡方法
平衡水泵轉子軸向力的方法多種多樣，例如在泵外部設置推力軸承、于水泵腔體上開設平衡孔或平衡管以降低泵壓、葉輪設計時采用背葉片、雙葉輪、葉輪對稱分布等形式，以及使用平衡盤、平衡鼓結構等。其中，多利用平衡盤和平衡鼓結構對轉子軸向力進行平衡。
平衡盤被廣泛應用在多級泵的軸向力平衡上，位于泵末級葉輪之后，其結構原理如圖1所示。平衡裝置存在徑向和軸向兩個間隙，由末級流出的帶壓液體，經徑向間隙流入平衡盤前的空腔中，使之形成高壓力狀態。于平衡盤后側的空腔上開設平衡管，并與水泵入口相連通，使該處空腔內壓力與泵入口處壓力基本一致。由于平衡盤前后兩空腔內壓力不等，構成壓力差，產生與軸向力反向的平衡力，達到平衡效果。
采用平衡盤結構平衡水泵轉子軸向力時，由于軸向力不斷變化，平衡力也隨之改變，因而，其工作過程是動平衡過程。平衡盤依靠轉子竄動自動調節其可變間隙大小，從而調節平衡力大小，能夠充分平衡轉子軸向力，無需依靠外部推力軸承輔助，因而平衡結構可省略外部推力軸承。
平衡盤結構存在的缺陷:
(1)當泵轉子以較低速度啟動時，泵中流體產生的推力較小，無法將平衡盤推離平衡座，導致工作時二者接觸，產生研磨，造成磨損，達到一定限度后需進行更換，降低平衡盤使用壽命。
(2)平衡盤軸向間隙極小，使得其應用范圍受限，不適用于泵體內液體含沙、泵干轉或 泵內液體接近氣化等工況。
(3)由于平衡盤依靠平衡管泄露泵內液體，使其前后產生壓差來平衡軸向力，泄露會造成泵的效率降低。
平衡鼓在離心壓縮機軸向力平衡領域應用較為廣泛，其結構如圖2所示，平衡鼓不存在軸向間隙(公眾號:泵管家)，帶壓液體經平衡鼓徑向間隙進入平衡腔，構成高壓，于其后的空腔內壁上設置平衡管與泵入口相通，使腔內壓力始終大于或等于入口壓力，從而達到平衡軸向力的目的。
采用平衡鼓結構平衡軸向力，平衡鼓結構動靜部間的間隙為制造時制定，無法自動調整平衡力大小，因而，需要在外部安裝止推軸承以平衡多余的平衡力，其優點在于，動靜部無接觸，無磨損，因而使用壽命較長。
單獨采用平衡盤進行水泵軸向力平衡時，由于其軸向間隙極小，當泵體內液體流量發生變化，或水泵工作狀態發生瞬時變化時，極易造成平衡盤與平衡環貼合或卡緊，二者產生研磨、損壞，從而大大降低平衡盤壽命，影響水泵正常運作。因而，為提高水泵軸向力平衡機構性能，可采用平衡鼓結構進行軸向力平衡，但單獨采用平衡鼓結構進行軸向力平衡時，泵體會產生較大泄露，極大地降低了水泵的輸送效率。因此，為了提高平衡裝置總體性能，結合二者優點，可采用平衡盤與平衡鼓聯合結構平衡水泵轉子軸向力。結構如圖3所示。
采用這一結構的優點在于：
(1)單獨采用平衡鼓平衡軸向力時，需在外部加裝止推軸承，采用該聯合結構時,由于平衡盤的存在，可省略安裝止推軸承。
(2)平衡鼓平衡軸向力的同時也可平衡掉一部分平衡盤產生的平衡力，減小平衡盤前后壓力差，使平衡盤與支撐環更易分離，不易造成磨損，使整個平衡裝置性能可靠。
(3)要求泵進行空轉時，需在泵上安裝止推軸承，聯合機構的存在可以大大降低止推軸承的負荷。
本文給水泵應用于核電站輔助給水，電動機輔助給水泵規格書規定，不允許單獨采用平衡盤作為軸向力平衡裝置，因而 測試對象擬定采用單平衡鼓或平衡盤與平衡鼓聯合機構作為泵軸向力平衡裝置。
三、流量與軸向力關系計算
水泵轉子軸向力大小與流體流量關系的計算情況復雜，形式多樣，采用不同形式的平衡結構，其平衡力計算方法也相應不同。本文測試對象擬定采用單平衡鼓或平衡盤與平衡鼓聯合機構兩種不同結構作為泵軸向力平衡裝置，選取性能最優者作為最終平衡方案。分別根據兩種不同結構，確定經平衡裝置平衡后，總軸向力與流量關系。
①采用單平衡鼓作為軸向力平衡裝置，計算采用這一結構時，泵體內流體流量與轉子總軸向力大小關系。
②以平衡盤與平衡鼓聯合機構作為軸向力平衡裝置，計算采用這一結構時，泵體內流體流量與轉子軸向力大小關系。
四、軸向力的測試
現有的軸向力預測方法一般分為試驗測量采用經驗公式計算兩種， 水泵廠很多由經驗法和理論計算法所得出的軸向力精度及適用性較差，對于重要用途的離心泵需要進行軸向力的實際測量，以保證正確設計軸向力平衡裝置，選用合適的軸向推力軸承，防止軸向力平衡裝置或軸承破壞引發的失效等故障。同時，通過測試還可以獲取準確的軸向力數值，用來校正和修改經驗計算公式及理論計算模型。綜合國內外多種軸向力測試方法，可分為以下幾類：
1、安裝拉壓力傳感器
2010年，俄羅斯學者提出在測試軸向力時，可以將該測力儀安裝在泵轉子末端，直接測量軸向力，利用彈性元件及應變片產生的形變進行測量，其測試方法如下圖所示。該方法結構簡單，易于安裝，但體積較大，不適合內部結構緊湊的水泵裝置。
2、液壓測力機構
利用液壓測力機構測試單級離心泵軸向力的裝置,如圖2所示，該裝置由軸向力輸出、軸向力輸入、軸向力數值顯示和砝碼測力機構四部分組成。其基本原理是泵運行時，泵軸在軸向力與靜態液壓測力機構給予的相反方向力軸向力的作用下，達到軸向平衡，不產生軸向位移。由于該裝置能夠自動消除滑動摩擦力和靜摩擦力的干擾，所以液壓測力機構給予泵軸的反向軸向力正好等于泵腔內運動流體給予葉輪的軸向力。讀出兩個顯示裝置的壓力差，就能得到軸向力的大小.還可以用靜態液壓測力機構和砝碼測力機構互相酉己合測出軸向力，對比兩套測力裝置的測試結果(公眾號:泵管家)。該方法可以在時一種工況下用兩種方法同時測量，從而具有自校功能，準確性高，讀取數據方便快捷，但裝置體積較大，裝配復雜。
3、直接粘貼應變片
在結構緊湊的 泵上，由于軸向空間被機械密封占據，沒有足夠的空間給予安裝測量裝置，難以測定軸向力。用“多點應力法”測量多級離心泵軸向力和徑向力，該方法是根據多級離心泵的受力特點，對離心泵后端軸承的支架進行測量，該支架的形狀通常都為一定厚度的準半圓柱殼體，選取適當的截面粘貼應變片，讀取測試值后，再計算軸承支架的慣性矩、金屬截面積形心位置等幾何特性，通過軸向力計算公式最終求得軸向力。該方法所占空間小，但計算復雜。
4、測力彈性元件
測量燃氣輪壓氣機轉子軸向力的傳感器，當轉子軸承腔內有一定的安裝空間時，可以考慮在軸承的兩側安裝傳感器彈性元件，彈性元件設計為圓環形，其幾何尺寸近似于轉子推力軸承的外環的尺寸，分別將圓環形傳感器安裝在軸承的兩端面，直接感受軸承外環軸向力。該方法結構簡單，尺寸小，實時性好，但測量結果易受到環境干擾。
5、彈簧秤測量裝置
以彈簧秤為測力核心，軸承座與定子固定，軸承套與右軸承座為間隙配合，安裝在軸承套內的零件可隨轉子一起作軸向位移，壓蓋與測力拉桿連接，利用杠桿原理，通過彈簧枰進行軸向力測量。當 水泵運轉時，葉輪轉子體在軸向力的作用下偏向一端，用外力拉動轉子居中，此拉力與軸向力相等，測力機構測得的拉力即為軸向力。該方法原理簡單易懂，但測試精度不高，數據不能即時與微機數據處理系統相連接，不能實現實時的數據采集。
6、電渦流效應測量裝置
可以使用電禍流式測力儀來測量主軸回轉精度,當被測對象的尺寸、位移等參數發生改變時，會引起測力儀感應線圈電感、阻抗等特性發生變化，并具備特定對應關系。如果上述參數中的某一個發生改變，即可用來實現各類測試。測量時，在主軸的軸線平行方向安裝這個電渦流式測力儀，當有軸向力產生時，主軸產生位移，使主軸末端與渦流式測力儀線圈之間的距離發生變化，與側向測力伩配合，將位移量轉化為電信號，經放大、濾波、A/D轉化等處理轉化為數字信號，再經計算機處理即可得到使主軸產生此位移量的軸向力大小，該方法可結合計算機處理數據，實時性好，抗干擾能力強，但不適于內部結構緊湊的機械裝置。除了以上介紹的方式外， 水泵廠還有利用即應變計填埋法，軸向電磁力，等離子電弧力等方法測量軸向力。
