4. Уравновешивание осевой силы

4.1 Определение осевой силы, действующей на ротор насоса. Осевая сила возникает а результате действия потока на наружную и внутреннюю поверхности рабочего колеса. Эта сила складывается из нескольких составляющих (рис. 4.1).

,

где - сила, действующая на наружную поверхность колеса и направленная навстречу входу жидкости в колесо; - сила, действующая на внутреннюю поверхность колеса и совпадающая по направлению с движением жидкости на входе в колесо;

- вес ротора, который учитывается при расчёте осевой силы в том случае, если вал насоса расположен вертикально; в случае горизонтального расположения вала проекция вектора на осевое направление будет равна нулю;

- число ступеней.

Рисунок 4.1. К расчёту осевой силы

Составляющие осевой силы и могут быть вычислены по формулам

,

и

,

Объединяя выражения для и получим для вычисления следующую формулу

где и - соответственно давление жидкости на выходе и входе в рабочее колесо, Па;

- радиус уплотнения колеса в метрах, принимаемый из соотношения ,

- плотность жидкости, кг/м³;

- число ступеней.

На величину осевой силы существенное влияние оказывает величина зазора в уплотнении рабочего колеса. По мере износа уплотнения на ведомом диске колеса возникает дополнительная осевая сила, направленная навстречу входу жидкости в колесо, которая в условиях аварийного износа уплотнения может быть подсчитана по формуле, предложенной А.А. Ломакиным

,

Тогда полная осевая сила при аварийном износе уплотнения будет .

Для колёс с односторонним подводом жидкости осевая сила приближённо может быть определена по формуле

,

Для уравновешивания осевой силы имеется несколько способов. Так в насосах с чётным числом ступеней принимают встречное расположение колёс (рис.4.2а).В двух и многопоточных насосах применяют колёса двухстороннего всасывания (рис. 4.2б). В одноступенчатых насосах с колёсами одностороннего всасывания применяют уплотнение на заднем диске колеса (рис. 4.2в) и радиальные рёбра на заднем диске (рис. 4.2г).

Уплотнение на заднем диске колеса образует за колесом камеру, которая с помощью отверстий в диске соединяется с областью входа потока в колесо. Диаметр уплотнения на заднем диске колеса принимается обычно равным диаметру уплотнения на переднем диске. Площадь разгрузочных отверстий должна быть примерно в четыре раза больше площади уплотняющего зазора. Ось отверстий в диске желательно выполнять не параллельно оси насоса, а несколько наклонно, в сторону внешнего радиуса колеса. Этот способ разгрузки от осевой силы не нашёл широкого применения, так как при этом удваиваются утечки жидкости, что отрицательно сказывается на к.п.д. насоса.

Применение радиальных ребер для разгрузки осевой силы основано на том, что жидкость в пространстве между колесом и корпусом будет вращаться с угловой скоростью колеса , а не с , как в случае отсутствия рёбер. Это уменьшает давление жидкости на поверхность заднего диска. Величина уменьшения осевой силы в этом случае может быть вычислена по формуле [6]

Р_ос(рб)=,

где - длина ребра в радиальном направлении;

и - окружные скорости соответственно на радиусах и .

Для полного уравновешивания осевой силы должно выполняться условие

,

Этот способ уравновешивания требует затраты дополнительной мощности, однако она не превышает мощности, затрачиваемой в связи с утечками через дополнительное уплотнение на заднем диске.

Существенным недостатком этого способа является невозможность обработки заднего диска при наличии литых рёбер; кроме того, возникают трудности при установлении зазора между рёбрами и корпусом.

Оставшаяся неуравновешенная часть осевой силы в насосах воспринимается упорным подшипником.

Рисунок 4.2. Способы уравновешивания осевой силы

Встречаются насосы, у которых гидравлическая разгрузка отсутствует и осевая сила целиком передаётся на подшипник.

Широкое применение в высоконапорных многоступенчатых насосах нашло автоматическое уравновешивающее устройство- разгрузочный диск. Разгрузочный диск (рис. 4.3) укрепляется на валу за последним колесом насоса в специальной камере. Пространство камеры перед диском сообщается кольцевой щелью с областью нагнетания насоса, а пространство за диском соединяется трубкой с приёмным патрубком насоса. Во время работы на разгрузочный диск действует осевая сила, равная по величине и противоположная по направлению осевой силе, действующей на рабочие колёса, т.е.

,

Рисунок 4.3. Уравновешивание осевой силы разгрузочным диском