Компенсация осевых усилий в центробежных насосах

Осевые силы возникают в центробежных машинах как результат неодинакового распределения давлений, действующих на рабочие колеса с передней (обращенной к всасывающему патрубку) и задней сторон. Кроме того, осевая сила возникает и в результате динамического действия потока, входящего в рабочие колеса. В крупных многоступенчатых центробежных насосах осевые силы могут достигать нескольких тонн, приводя к преждевременному износу подшипников и уплотнений; в компрессорных машинах в силу малой плотности газа эти силы не столь значительны.

Рис. 2.5. Распределение осевых давлений по наружным поверхностям колеса
центробежной машины:
1 — уплотнение колеса; 2, 3 — зазоры

Пусть у входа в рабочее колесо давление равно р₁ (рис. 2.5). При наличии уплотнения 1 на входном диаметре колеса конечное давление р₂ распространяется через зазоры 2 и 3 между колесом и корпусом насоса. В полости закрытого рабочего колеса между входными и выходными кромками лопаток (т. е. на радиусе от R₁ до R₂) осевые силы полностью уравновешены. Действительное осевое давление в любой точке наружной поверхности колеса определяется давлением р₂ (на радиусе R₂) и центробежным давлением, обусловленным вращением жидкости в зазорах 2 и 3. В передней же стороне на радиусе R_у действует постоянное давление р₁. Вследствие этой асимметрии и возникает осевая сила Р_р (рис. 2.5). В силу малости зазоров 2 и 3 средняя угловая скорость жидкости в них вдвое меньше скорости колеса на данном радиусе, что позволило получить формулу для осевой силы:

    (2.13)

где w — угловая скорость вращения колеса, с^–1; w = 2p n.

Сила, обусловленная динамическим давлением входящего потока на колесо:

.                                    (2.14)

Суммарная осевая сила, действующая на одно рабочее колесо центробежной машины:

Р_ос = Р_р – Р_д.                               (6.3.2.15)

Как видно из формулы (2.13), при данных размерах колеса и частоте вращения осевая сила тем выше, чем больше давление р₂. Поэтому при дросселировании, когда р₂ возрастает, осевая сила также растет.

Компенсация осевой силы происходит благодаря следующим конструктивным решениям:

- применению рабочего колеса с двусторонним входом либо с двусторонним симметричным входом (для многоступенчатых машин);

- использованию переточных отверстий и ложной ступицы;

- выполнению импеллера на задней стороне рабочего колеса;

- в многоступенчатых насосах — установке разгрузочного диска (гидравлической пяты).

Рабочее колесо с двусторонним входом (рис. 2.6, а) не передает осевой силы на вал в силу своей симметрии; колеса такого типа широко используются в одноступенчатых центробежных насосах. При использовании переточных отверстий 2 (либо специальной соединительной трубки) и ложной ступицы 3 (рис. 2.6, б) диаметр последней выполняют таким же, как и диаметр уплотнения 1 рабочего колеса. Благодаря переточным отверстиям давления по обе стороны колеса на радиусе R_у выравниваются и сила Р_р исчезает. Динамическое усилие Р_д невелико и может восприниматься подшипником. Этот способ уравновешивания удобен и прост и поэтому широко распространен. Его недостатком является некоторое понижение объемного КПД за счет дополнительного перетекания через отверстия.

Рис. 2.6. Способы компенсации осевой силы в центробежных насосах:
а) колесо с двусторонним входом жидкости;
б) колесо с переточными отверстиями и ложной ступицей;
в) колесо с импеллером;
г) эпюра давлений для колеса с импеллером
1 — уплотнение колеса; 2 — ложная ступица;
3 — переточные отверстия; 4 — лопасти импеллера

Импеллер, состоящий из радиальных лопаток 4 на задней стороне рабочего колеса (рис. 2.6, в), при заданной частоте вращения создает такое центробежное поле давления, площадь эпюры которого (рис. 2.6, г) в точности равна площади эпюры центробежного давления в зазоре между передней частью колеса и корпусом (рис. 2.6, в). Это приводит к уравновешиванию осевой силы. Недостаток метода: при изменении частоты вращения эффект компенсации осевой силы нарушается.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: