石油钻采设备及工艺-李振林 §7-3 离心泵轴向力的平衡及密封装置

§7-3离心泵轴向力的平衡及密封装置一、轴向力的产生及其平衡二、离心泵的密封返回一、轴向力的产生及其平衡离心泵工作时，由于叶轮受力的非对称性而产生的轴向力，只靠轴向止推轴承难以完全承受，必须安装有平衡轴向力的装置。单级叶轮两侧压力分布如图所示，从叶轮打出的高压液体有一部分回流到前、后盖板的外侧。一般认为，叶轮与泵体之间的液体压力按抛物线形状分布。在密封环直径Dw以外，叶轮两侧的压力p2是对称的，无轴向力。但在Dw以内，作用在叶轮左侧的压力是入口压力p1，且p1p2，存在压差△p＝p2-p1。两侧压力差与相应面积的乘积，就是作用在叶轮上的轴向力。1.利用叶轮的对称性平衡轴向力对于单级泵，利用左图所示的双吸叶轮，使叶轮两侧盖板上的压力相互抵消，可以很有效地平衡轴向力。对于多级泵，利用对称排列方式，即将总级数为偶数的叶轮，如右图所示背靠背或面对面地串联在一根轴上。这种方法不能完全消除轴向力，一般还应安装止推轴承。水平中剖式多级泵和立式多级泵，常采用此法。2.改造叶轮结构平衡轴向力对于单吸离心泵，可以适当改变叶轮结构，消除或减少轴向力。方法：平衡孔法：即在左（a）图所示的叶轮后盖板上开一圈小孔，称作平衡孔，使后盖板密封环内的压力与前盖板密封环内的压力基本相等。由于前、后盖板密封环直径相同，故大部分轴向力可以被平衡。平衡管法：如左（b）图所示，在前、后盖板上都安装有直径相同的密封环，并自后盖板泵腔处接一根平衡管，使叶轮背后的压力液与泵的吸入口相通，以消除大部分轴向力。在叶轮背面加平衡叶片法：叶轮旋转时，平衡叶片强迫叶轮后面的液体加速旋转，使压力下降，从而达到减小轴向力的目的。3.安装专用的平衡装置自动平衡盘平衡轴向力平衡鼓平衡轴向力平衡盘与平衡鼓组合装置平衡轴向力二、离心泵的密封如图，采用平衡盘与平衡鼓组合装置，可以由平衡鼓平衡50％~80％左右的轴向力，剩余的轴向力由平衡盘承受。这样，既减轻了平衡盘上的负荷，保持较大的轴向间隙，避免了由于转子窜动而引起的磨损，又可以自动地平衡轴向力，而无需安装止推轴承。如图所示，平衡鼓装置是安装在末级叶轮后面与叶轮同轴的鼓形轮盘，其外圆表面与泵体上的平衡圈间有0.2~0.3mm很小的间隙。平衡鼓左侧的压力接近叶轮出口压力p2；平衡鼓后面的连通管与泵吸入口连通，平衡鼓右侧的压力接近泵的吸入压力p0；平衡鼓产生压差△p＝p2-p0，因而在平衡管上有一个与轴向力方向相反的平衡力P。优点：当转子轴向窜动时，不会与静止部分发生摩擦；缺点：不能完全平衡轴向力，在单独使用时，必须安装双向止推轴承。自动平衡盘多用于多级离心泵，安装在末级叶轮之后，随转子一起旋转该平衡装置有两个间隙，一个是轮毂或轴套与泵体间的径向间隙b≈1~0.2mm；另一个是平衡盘端面与泵体上平衡圈间的轴向间隙b0≈1~0.2mm；平衡盘后面的平衡室用连通管与泵的吸入口连通，压力接近吸入口压力p0。液体在径向间隙前的压力是末级叶轮后盖板下面的压力p，通过径向间隙后下降为p‘，压力降为△p1＝p-p’;液体再流经轴向间隙后，压力降为p0,轴向间隙两边的压力差△p2＝p’-p0；平衡盘两边的压力差为：△p＝△p1＋△p2＝p-p0。由于平衡盘两边有压力差△p2，液体在平衡盘上有向右的作用力P，称平衡力；其值与向左的轴向力F大小相等，方向相反；当F＝P＝0时，轴向力被完全平衡。这种装置中的径向间隙和轴向间隙各有其作用，又相互联系，可以自动平衡轴向力：当工况改变，轴向力F与平衡力P不相等时，转子就会窜动。若FP，转子就向左边的吸入方向移动，轴向间隙b0减小，液体流动损失增加，漏失量减少，平衡盘前面的压力p’增加。在总液压差△p不变的情况下，因泄漏量减少，△p1下降，因而压差△p2增大，平衡力P随之增大，转子开始向右边的出口方向移动，直至与轴向力平衡为止。若FP，转子就向右移动，轴向间隙b0增大，液体流动损失减小，漏失量增加，平衡盘前面的压力p’减小。在总液压差△p不变的情况下，因泄漏量增加，△p1增大，因而压差△p2减小，平衡力P随之减小，转子又开始向左移动，直至再与轴向力F平衡为止。由于泵的工况不断变化，以及转子惯性力的作用，转子不会总停留在一个位置，而是在某一位置左右作轴向窜动；因此，平衡盘的平衡是动态的。鉴于此，采用平衡装置时，一般不安装轴向止推轴承。