Осевая сила на роторе насоса

Ранее было отмечено (см. п. 5.3), что для уменьшения утечек жидкости из отвода в подвод у входа в рабочее колесо выполняют уплотнение в виде малого зазора 1 между рабочим колесом и корпусом (см. рис. 5.6). Стенки этого зазора изнашиваются довольно быстро из-за большой скорости жидкости в нем, способствующей химическому и эрозионному разрушению материала. Особенно быстро они изнашиваются при наличии в жидкости абразивных частиц. Для того чтобы при износе уплотняющего зазора не пришлось менять рабочее колесо или корпус насоса, на них часто закрепляют сменные уплотнительные кольца, образующие уплотняющий зазор (см. рис 5.3, кольца 8 и 6).

Межступенные уплотнения, уменьшающие утечки через зазоры между валом и диафрагмами, также выполняют обычно в виде щелей, образованных сменными уплотнительными кольцами.

В местах выхода вала из корпуса насоса чаще всего устанавливают сальники (рис. 5.50, стр. 273). Уплотнение обеспечивается набивкой 1, которая сжимается крышкой 2 путем затягивания гаек шпилек 3. Набивку изготовляют чаще всего из специального хлопчатобумажного или, при высокой температуре перекачиваемой жидкости, асбестового шнура квадратного сечения и перед установкой пропитывают смазкой из графита и технического жира. Шнур укладывают отдельными кольцами. Его нельзя наматывать на вал одним куском, так как при этом трудно получить равномерное по окружности поджатие набивки. Тепло, выделяющееся при трении вала о набивку, в основном отводится жидкостью, просачивающейся через сальник, поэтому утечка жидкости через сальник необходима. При работе материал набивки изнашивается, перестает плотно прилегать к валу и утечка жидкости увеличивается. Поэтому гайки сальника надо периодически подтягивать. Если повторное натяжение крышки сальника не дает уплотнения или приводит к чрезмерному нагреву сальника, то набивку необходимо сменить. Набивка работает до смены 200—4000 ч в зависимости от степени загрязнения жидкости и материала набивки.

Сальники на всасывающей стороне насоса не должны допускать засасывания воздуха внутрь насоса. Даже небольшая протечка воздуха сильно снижает напор, подачу и КПД насоса. Кроме того, воздух, протекающий через сальник, не отводит тепло. Сальник греется и набивка может сгореть, поэтому на всасывающей стороне сальники делают с гидравлическим затвором, который состоит из кольца 4 двутаврового сечения, помещенного между кольцами набивки. К этому кольцу по трубке 5 подводится жидкость под давлением. Через жидкостное кольцо гидравлического затвора воздух не может прорваться внутрь насоса. Жидкость из кольца 4 вытекает наружу и внутрь насоса, отводя при этом тепло от набивки сальника. Для защиты вала от истирания в сальниках и коррозии на него надевают защитные втулки 6.

Вместо сальниковых уплотнений часто применяют торцовые (рис. 5.51). В крышку уплотнения запрессовывают неподвижное кольцо 1 пары трения, к которому пружиной 3 и давлением жидкости прижимается вращающееся кольцо 2. Уплотняющее резиновое кольцо 4 препятствует протеканию жидкости между валом и кольцом 2. Выбор материала трущейся пары (колец 1 и 2) зависит от агрессивности перекачиваемой жидкости. Для малоагрессивных жидкостей (воды, водных растворов малой концентрации и маловязких нефтепродуктов) кольцо 1 изготовляют из графита, пропитанного феноло-формальдегидной смолой, свинцом или другим наполнителем, а кольцо 2 - из хромистой стали 9X18. Торцовые уплотнения значительно долговечнее сальниковых, не требуют обслуживания (подтяжки), работают практически с нулевой утечкой. Однако торцовые уплотнения сложнее и дороже сальниковых.

На рабочее колесо центробежного насоса действует осевая сила, направленная в сторону входа. Она возникает главным образом из-за неодинаковости сил давления, действующих справа и слева на рабочее колесо (рис. 5.52). Давление р₂ на выходе из рабочего колеса больше давления р₁ на входе в него. Увлекаемая рабочим колесом жидкость в пространстве между рабочим колесом и корпусом насоса (в пазухах насоса) вращается с угловой скоростью, равной приблизительно половине угловой скорости рабочего колеса. Вследствие вращения жидкости давление на наружные поверхности рабочего колеса изменяется вдоль радиуса по параболическому закону. В области от R₂ до R_у давления справа и слева равны и уравновешиваются. В области от R_у до R_В давление слева, равное давлению у входа в насос, значительно меньше, чем справа. Это ведет к возникновению осевой силы давления А, равной объему эпюры разности давлений на правую и левую наружные поверхности рабочего колеса.

Рис. 5.52. К определению осевой силы на рабочем колесе:

1 - эпюра давления на левую поверхность колеса

2 - эпюра давления на правую поверхность колеса

3 - эпюра разности давлений

Следует отметить, что увеличение утечек, получающееся при износе уплотнения рабочего колеса, приводит к изменению закона распределения давления в области от R₂ до R_у с левой стороны колеса. Это может привести к увеличению осевой силы давления в 1,5-2 раза. Осевая сила обусловлена также изменением направления движения жидкости в рабочем колесе из осевого в радиальное. Однако получающееся при этом усилие значительно лишь у насосов с большим коэффициентом быстроходности. У консольных насосов осевая сила возникает также из-за того, что на наружный конец вала действует атмосферное давление, а на внутренний — давление, отличное от атмосферного. По этой же причине возникает дополнительное усилие у насосов с проходным валом, если его диаметр в обоих концевых уплотнениях различен. Приближенно осевая сила на роторе насоса

где Н — напор насоса.

Разгрузка ротора насоса от осевого усилия осуществляется следующими способами.

1. Применением двусторонних колес (см. рис. 5.3), у которых благодаря симметрии не возникает осевой силы, или симметричным расположением рабочих колес у многоступенчатых насосов. Этот способ разгрузки практически не может обеспечить полного уравновешивания осевой силы, так как при неодинаковом выполнении или износе зазоров в уплотнениях рабочих колес, а также из-за наличия утечек в межступенных уплотнениях вала многоступенчатых насосов нарушается симметрия потока утечек и, следовательно, симметрия распределения давления на наружные поверхности колес. Для фиксации ротора в осевом направлении и восприятия неуравновешенных осевых сил применяют радиально-упорные подшипники.

2. Устройством второго уплотнения на ведущем диске рабочего колеса и разгрузочных отверстий у ступицы, благодаря чему почти полностью выравниваются давления, действующие с обеих сторон рабочего колеса в пространстве между уплотнением и валом. Уплотнение устанавливают на том же радиусе, что и уплотнение на переднем диске. Остаточное усилие воспринимается радиально-упорным или (в малых насосах) радиальным шарикоподшипником. Недостатком этого способа разгрузки осевой силы является снижение КПД насоса из-за увеличения утечек.

3. Установкой гидравлической пяты. Такой способ разгрузки применяется в многоступенчатых насосах секционного типа. Диск гидравлической пяты 1 (рис. 5.53) закрепляют на валу насоса с напорной стороны за последним рабочим колесом 3. Жидкость из рабочего колеса 3 поступает через кольцевой зазор 2 в промежуточную камеру 7. Затем она проходит через торцовый зазор 6 в разгрузочную камеру 5, соединенную трубкой 4 с подводом первой ступени насоса. Так как давление в промежуточной камере значительно больше, чем в разгрузочной, на диск гидравлической пяты действует сила, разгружающая осевую силу ротора

Рис. 5.53. Гидравлическая пята

Гидравлическая пята является саморегулирующимся устройством: зазор 6 за счет осевых смещений ротора автоматически устанавливается таким, что разность сил давления по обе стороны диска пяты равна силе на роторе насоса. Действительно, пусть осевая сила А ротора увеличится. При этом ротор насоса сместится влево, зазор 6 уменьшится, утечка жидкости через него станет меньше, перепад давления в зазоре 2, пропорциональный утечкам во второй степени, уменьшится, что приведет к возрастанию давления в промежуточной камере 7, и следовательно, к увеличению разгружающей силы. При этом последняя станет равна осевой силе. При разгрузке осевой силы с помощью гидравлической пяты упорные подшипники не требуются. Недостатком гидравлической пяты являются дополнительные утечки и трение диска о жидкость, уменьшающие КПД насоса.