一、軸向力的產(chǎn)生及危害

水泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其主軸會(huì)產(chǎn)生軸向力。由于泵腔內(nèi)流體流動(dòng)，必然會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生動(dòng)反力，因而泵工作時(shí)產(chǎn)生軸向力不可避免。轉(zhuǎn)子在軸向力的作用下，產(chǎn)生軸向位移，造成動(dòng)靜部間相互研磨、碰撞，導(dǎo)致水泵嚴(yán)重?fù)p壞。軸向力的存在會(huì)造成水泵無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行，降低其使用壽命和整體性能，嚴(yán)重時(shí)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(guān)鍵。

除以上必然因素造成泵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力外，其他不合理因素也會(huì)導(dǎo)致軸向力，主要有以下幾種： 

1、當(dāng)泵在正常運(yùn)行時(shí)，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(huì)產(chǎn)生一個(gè)推力F1。

2、液體流經(jīng)葉輪后，由于流動(dòng)方向變化所產(chǎn)生的動(dòng)反力F2。在多級(jí)離心泵中，流體通常由軸向流入葉輪，徑向流出，流動(dòng)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(gè)大小相等、方向相反的力。由于葉片上壓力分布不對(duì)稱(chēng)而引起的軸向力F

3。葉片工作面壓強(qiáng)大于葉片背面的壓強(qiáng)，其所形成的壓力差也將產(chǎn)生軸向力。

4、由于葉輪流道內(nèi)的壓力分布不對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生的軸向力F4。

5、對(duì)于立式泵而言，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是有重力的，這會(huì)成為軸向力的組成部分；而對(duì)于臥式泵，這個(gè)軸向力是不存在的。

6、葉輪前后蓋板不對(duì)稱(chēng)； 

7、軸臺(tái)階，軸端等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理因素；

8、其他因素引起轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力，如泵腔內(nèi)徑向流。

在眾多產(chǎn)生軸向力的因素中，泵腔內(nèi)流體的動(dòng)反力以及葉輪前后蓋板不對(duì)稱(chēng)是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力的主要原因。

二、水泵軸向力平衡方法

平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力的方法多種多樣，例如在泵外部設(shè)置推力軸承、于水泵腔體上開(kāi)設(shè)平衡孔或平衡管以降低泵壓、葉輪設(shè)計(jì)時(shí)采用背葉片、雙葉輪、葉輪對(duì)稱(chēng)分布等形式，以及使用平衡盤(pán)、平衡鼓結(jié)構(gòu)等。其中，多利用平衡盤(pán)和平衡鼓結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子軸向力進(jìn)行平衡。

平衡盤(pán)被廣泛應(yīng)用在多級(jí)泵的軸向力平衡上，位于泵末級(jí)葉輪之后，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。平衡裝置存在徑向和軸向兩個(gè)間隙，由末級(jí)流出的帶壓液體，經(jīng)徑向間隙流入平衡盤(pán)前的空腔中，使之形成高壓力狀態(tài)。于平衡盤(pán)后側(cè)的空腔上開(kāi)設(shè)平衡管，并與水泵入口相連通，使該處空腔內(nèi)壓力與泵入口處壓力基本一致。由于平衡盤(pán)前后兩空腔內(nèi)壓力不等，構(gòu)成壓力差，產(chǎn)生與軸向力反向的平衡力，達(dá)到平衡效果。

采用平衡盤(pán)結(jié)構(gòu)平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力時(shí)，由于軸向力不斷變化，平衡力也隨之改變，因而，其工作過(guò)程是動(dòng)平衡過(guò)程。平衡盤(pán)依靠轉(zhuǎn)子竄動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其可變間隙大小，從而調(diào)節(jié)平衡力大小，能夠充分平衡轉(zhuǎn)子軸向力，無(wú)需依靠外部推力軸承輔助，因而平衡結(jié)構(gòu)可省略外部推力軸承。

平衡盤(pán)結(jié)構(gòu)存在的缺陷：

(1)當(dāng)泵轉(zhuǎn)子以較低速度啟動(dòng)時(shí)，泵中流體產(chǎn)生的推力較小，無(wú)法將平衡盤(pán)推離平衡座，導(dǎo)致工作時(shí)二者接觸，產(chǎn)生研磨，造成磨損，達(dá)到一定限度后需進(jìn)行更換，降低平衡盤(pán)使用壽命。

(2)平衡盤(pán)軸向間隙極小，使得其應(yīng)用范圍受限，不適用于泵體內(nèi)液體含沙、泵干轉(zhuǎn)或 泵內(nèi)液體接近氣化等工況。

(3)由于平衡盤(pán)依靠平衡管泄露泵內(nèi)液體，使其前后產(chǎn)生壓差來(lái)平衡軸向力，泄露會(huì)造成泵的效率降低。

平衡鼓在離心壓縮機(jī)軸向力平衡領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，平衡鼓不存在軸向間隙，帶壓液體經(jīng)平衡鼓徑向間隙進(jìn)入平衡腔，構(gòu)成高壓，于其后的空腔內(nèi)壁上設(shè)置平衡管與泵入口相通，使腔內(nèi)壓力始終大于或等于入口壓力，從而達(dá)到平衡軸向力的目的。

采用平衡鼓結(jié)構(gòu)平衡軸向力，平衡鼓結(jié)構(gòu)動(dòng)靜部間的間隙為制造時(shí)制定，無(wú)法自動(dòng)調(diào)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(yōu)點(diǎn)在于，動(dòng)靜部無(wú)接觸，無(wú)磨損，因而使用壽命較長(zhǎng)。

單獨(dú)采用平衡盤(pán)進(jìn)行水泵軸向力平衡時(shí)，由于其軸向間隙極小，當(dāng)泵體內(nèi)液體流量發(fā)生變化，或水泵工作狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)變化時(shí)，極易造成平衡盤(pán)與平衡環(huán)貼合或卡緊，二者產(chǎn)生研磨、損壞，從而大大降低平衡盤(pán)壽命，影響水泵正常運(yùn)作。因而，為提高水泵軸向力平衡機(jī)構(gòu)性能，可采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向力平衡，但單獨(dú)采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向力平衡時(shí)，泵體會(huì)產(chǎn)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(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，可采用平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合結(jié)構(gòu)平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力。

采用這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)單獨(dú)采用平衡鼓平衡軸向力時(shí)，需在外部加裝止推軸承，采用該聯(lián)合結(jié)構(gòu)時(shí),由于平衡盤(pán)的存在，可省略安裝止推軸承。

(2)平衡鼓平衡軸向力的同時(shí)也可平衡掉一部分平衡盤(pán)產(chǎn)生的平衡力，減小平衡盤(pán)前后壓力差，使平衡盤(pán)與支撐環(huán)更易分離，不易造成磨損，使整個(gè)平衡裝置性能可靠。

(3)要求泵進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí)，需在泵上安裝止推軸承，聯(lián)合機(jī)構(gòu)的存在可以大大降低止推軸承的負(fù)荷。

本文給水泵應(yīng)用于核電站輔助給水，電動(dòng)機(jī)輔助給水泵規(guī)格書(shū)規(guī)定，不允許單獨(dú)采用平衡盤(pán)作為軸向力平衡裝置，因而 測(cè)試對(duì)象擬定采用單平衡鼓或平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)作為泵軸向力平衡裝置。

三、流量與軸向力關(guān)系計(jì)算

水泵轉(zhuǎn)子軸向力大小與流體流量關(guān)系的計(jì)算情況復(fù)雜，形式多樣，采用不同形式的平衡結(jié)構(gòu)，其平衡力計(jì)算方法也相應(yīng)不同。本文測(cè)試對(duì)象擬定采用單平衡鼓或平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)作為泵軸向力平衡裝置，選取性能最優(yōu)者作為最終平衡方案。分別根據(jù)兩種不同結(jié)構(gòu)，確定經(jīng)平衡裝置平衡后，總軸向力與流量關(guān)系。

①采用單平衡鼓作為軸向力平衡裝置，計(jì)算采用這一結(jié)構(gòu)時(shí)，泵體內(nèi)流體流量與轉(zhuǎn)子總軸向力大小關(guān)系。

②以平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)作為軸向力平衡裝置，計(jì)算采用這一結(jié)構(gòu)時(shí)，泵體內(nèi)流體流量與轉(zhuǎn)子軸向力大小關(guān)系。

四、軸向力的測(cè)試

現(xiàn)有的軸向力預(yù)測(cè)方法一般分為試驗(yàn)測(cè)量采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算兩種， 水泵廠很多由經(jīng)驗(yàn)法和理論計(jì)算法所得出的軸向力精度及適用性較差，對(duì)于重要用途的離心泵需要進(jìn)行軸向力的實(shí)際測(cè)量，以保證正確設(shè)計(jì)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(fā)的失效等故障。同時(shí)，通過(guò)測(cè)試還可以獲取準(zhǔn)確的軸向力數(shù)值，用來(lái)校正和修改經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式及理論計(jì)算模型。綜合國(guó)內(nèi)外多種軸向力測(cè)試方法，可分為以下幾類(lèi)：

1、安裝拉壓力傳感器

2010年，俄羅斯學(xué)者提出在測(cè)試軸向力時(shí)，可以將該測(cè)力儀安裝在泵轉(zhuǎn)子末端，直接測(cè)量軸向力，利用彈性元件及應(yīng)變片產(chǎn)生的形變進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)試方法如下圖所示。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，但體積較大，不適合內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的水泵裝置。

2、液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)

利用液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)測(cè)試單級(jí)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(shù)值顯示和砝碼測(cè)力機(jī)構(gòu)四部分組成。其基本原理是泵運(yùn)行時(shí)，泵軸在軸向力與靜態(tài)液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)給予的相反方向力軸向力的作用下，達(dá)到軸向平衡，不產(chǎn)生軸向位移。由于該裝置能夠自動(dòng)消除滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力的干擾，所以液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)給予泵軸的反向軸向力正好等于泵腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)流體給予葉輪的軸向力。讀出兩個(gè)顯示裝置的壓力差，就能得到軸向力的大小.還可以用靜態(tài)液壓測(cè)力機(jī)構(gòu)和砝碼測(cè)力機(jī)構(gòu)互相配合測(cè)出軸向力，對(duì)比兩套測(cè)力裝置的測(cè)試結(jié)果。該方法可以在一種工況下用兩種方法同時(shí)測(cè)量，從而具有自校功能，準(zhǔn)確性高，讀取數(shù)據(jù)方便快捷，但裝置體積較大，裝配復(fù)雜。

3、直接粘貼應(yīng)變片

在結(jié)構(gòu)緊湊的泵上，由于軸向空間被機(jī)械密封占據(jù)，沒(méi)有足夠的空間給予安裝測(cè)量裝置，難以測(cè)定軸向力。用“多點(diǎn)應(yīng)力法”測(cè)量多級(jí)離心泵軸向力和徑向力，該方法是根據(jù)多級(jí)離心泵的受力特點(diǎn)，對(duì)離心泵后端軸承的支架進(jìn)行測(cè)量，該支架的形狀通常都為一定厚度的準(zhǔn)半圓柱殼體，選取適當(dāng)?shù)慕孛嬲迟N應(yīng)變片，讀取測(cè)試值后，再計(jì)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(guò)軸向力計(jì)算公式最終求得軸向力。該方法所占空間小，但計(jì)算復(fù)雜。

4、測(cè)力彈性元件

測(cè)量燃?xì)廨唹簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)子軸向力的傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸承腔內(nèi)有一定的安裝空間時(shí)，可以考慮在軸承的兩側(cè)安裝傳感器彈性元件，彈性元件設(shè)計(jì)為圓環(huán)形，其幾何尺寸近似于轉(zhuǎn)子推力軸承的外環(huán)的尺寸，分別將圓環(huán)形傳感器安裝在軸承的兩端面，直接感受軸承外環(huán)軸向力。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，實(shí)時(shí)性好，但測(cè)量結(jié)果易受到環(huán)境干擾。

5、彈簧秤測(cè)量裝置

以彈簧秤為測(cè)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(nèi)的零件可隨轉(zhuǎn)子一起作軸向位移，壓蓋與測(cè)力拉桿連接，利用杠桿原理，通過(guò)彈簧枰進(jìn)行軸向力測(cè)量。當(dāng) 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)子體在軸向力的作用下偏向一端，用外力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子居中，此拉力與軸向力相等，測(cè)力機(jī)構(gòu)測(cè)得的拉力即為軸向力。該方法原理簡(jiǎn)單易懂，但測(cè)試精度不高，數(shù)據(jù)不能即時(shí)與微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。

6、電渦流效應(yīng)測(cè)量裝置

可以使用電渦流式測(cè)力儀來(lái)測(cè)量主軸回轉(zhuǎn)精度，當(dāng)被測(cè)對(duì)象的尺寸、位移等參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)引起測(cè)力儀感應(yīng)線圈電感、阻抗等特性發(fā)生變化，并具備特定對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果上述參數(shù)中的某一個(gè)發(fā)生改變，即可用來(lái)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)測(cè)試。測(cè)量時(shí)，在主軸的軸線平行方向安裝這個(gè)電渦流式測(cè)力儀，當(dāng)有軸向力產(chǎn)生時(shí)，主軸產(chǎn)生位移，使主軸末端與渦流式測(cè)力儀線圈之間的距離發(fā)生變化，與側(cè)向測(cè)力伩配合，將位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化等處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理即可得到使主軸產(chǎn)生此位移量的軸向力大小，該方法可結(jié)合計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，但不適于內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)械裝置。除了以上介紹的方式外， 水泵廠還有利用即應(yīng)變計(jì)填埋法，軸向電磁力，等離子電弧力等方法測(cè)量軸向力。