一、軸向力的產(chǎn)生及危害

水泵在正常運轉(zhuǎn)過程中，其主軸會產(chǎn)生軸向力。由于泵腔內(nèi)流體流動，必然會對主軸產(chǎn)生動反力，因而泵工作時產(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(wěn)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(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(chǎn)生一個推力F1。

2、液體流經(jīng)葉輪后，由于流動方向變化所產(chǎn)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(chǎn)生軸向力。

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

5、對于立式泵而言，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計存在不合理因素；

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)流體的動反力以及葉輪前后蓋板不對稱是轉(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、于水泵腔體上開設(shè)平衡孔或平衡管以降低泵壓、葉輪設(shè)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(jié)構(gòu)等。其中，多利用平衡盤和平衡鼓結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jīng)徑向間隙流入平衡盤前的空腔中，使之形成高壓力狀態(tài)。于平衡盤后側(cè)的空腔上開設(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，達到平衡效果。

采用平衡盤結(jié)構(gòu)平衡水泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子竄動自動調(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。

平衡盤結(jié)構(gòu)存在的缺陷：

(1)當泵轉(zhuǎn)子以較低速度啟動時，泵中流體產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)液體含沙、泵干轉(zhuǎn)或 泵內(nèi)液體接近氣化等工況。

(3)由于平衡盤依靠平衡管泄露泵內(nèi)液體，使其前后產(chǎn)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(lǐng)域應用較為廣泛，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)動靜部間的間隙為制造時制定，無法自動調(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(nèi)液體流量發(fā)生變化，或水泵工作狀態(tài)發(fā)生瞬時變化時，極易造成平衡盤與平衡環(huán)貼合或卡緊，二者產(chǎn)生研磨、損壞，從而大大降低平衡盤壽命，影響水泵正常運作。因而，為提高水泵軸向力平衡機構(gòu)性能，可采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進行軸向力平衡，但單獨采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進行軸向力平衡時，泵體會產(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，可采用平衡盤與平衡鼓聯(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(lián)合結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的平衡力，減小平衡盤前后壓力差，使平衡盤與支撐環(huán)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(zhuǎn)時，需在泵上安裝止推軸承，聯(lián)合機構(gòu)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(guī)格書規(guī)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(lián)合機構(gòu)作為泵軸向力平衡裝置。

三、流量與軸向力關(guān)系計算

水泵轉(zhuǎn)子軸向力大小與流體流量關(guān)系的計算情況復雜，形式多樣，采用不同形式的平衡結(jié)構(gòu)，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(lián)合機構(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，計算采用這一結(jié)構(gòu)時，泵體內(nèi)流體流量與轉(zhuǎn)子總軸向力大小關(guān)系。

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

四、軸向力的測試

現(xiàn)有的軸向力預測方法一般分為試驗測量采用經(jīng)驗公式計算兩種， 水泵廠很多由經(jīng)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(shè)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(fā)的失效等故障。同時，通過測試還可以獲取準確的軸向力數(shù)值，用來校正和修改經(jīng)驗計算公式及理論計算模型。綜合國內(nèi)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(zhuǎn)子末端，直接測量軸向力，利用彈性元件及應變片產(chǎn)生的形變進行測量，其測試方法如下圖所示。該方法結(jié)構(gòu)簡單，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、液壓測力機構(gòu)

利用液壓測力機構(gòu)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(shù)值顯示和砝碼測力機構(gòu)四部分組成。其基本原理是泵運行時，泵軸在軸向力與靜態(tài)液壓測力機構(gòu)給予的相反方向力軸向力的作用下，達到軸向平衡，不產(chǎn)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(gòu)給予泵軸的反向軸向力正好等于泵腔內(nèi)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(tài)液壓測力機構(gòu)和砝碼測力機構(gòu)互相配合測出軸向力，對比兩套測力裝置的測試結(jié)果。該方法可以在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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)緊湊的泵上，由于軸向空間被機械密封占據(jù)，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(jù)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?shù)慕孛嬲迟N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(zhuǎn)子軸向力的傳感器，當轉(zhuǎn)子軸承腔內(nèi)有一定的安裝空間時，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)簡單，尺寸小，實時性好，但測量結(jié)果易受到環(huán)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(nèi)的零件可隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時，葉輪轉(zhuǎn)子體在軸向力的作用下偏向一端，用外力拉動轉(zhuǎn)子居中，此拉力與軸向力相等，測力機構(gòu)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(shù)據(jù)不能即時與微機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接，不能實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集。

6、電渦流效應測量裝置

可以使用電渦流式測力儀來測量主軸回轉(zhuǎn)精度，當被測對象的尺寸、位移等參數(shù)發(fā)生改變時，會引起測力儀感應線圈電感、阻抗等特性發(fā)生變化，并具備特定對應關(guān)系。如果上述參數(shù)中的某一個發(fā)生改變，即可用來實現(xiàn)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(chǎn)生時，主軸產(chǎn)生位移，使主軸末端與渦流式測力儀線圈之間的距離發(fā)生變化，與側(cè)向測力伩配合，將位移量轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化等處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再經(jīng)計算機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)合計算機處理數(shù)據(jù)，實時性好，抗干擾能力強，但不適于內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。