Осевое давление на рабочее колесо

 

При работе центробежного насоса рабочее колесо вращается в пространстве, заполненном перекачиваемой жидкостью. По­верхности дисков рабочего колеса подвергаются действию раз­личных сил, которые, как показывает опыт, не уравновешива­ются.

Рассмотрим действие на рабочее колесо центробежного насо­са только поверхностных сил, которые собственно и определяют динамические условия его работы. Силы давления на рабочее колесо, вращающееся в корпусе насоса, заполненном жидкостью, могут быть найдены из следующих соображений (рис.15). Как известно, давление P ₁при входе в насос является начальным давлением всасывания. Это давление действует на площадь кольцевого сечения, которая определяется величиной

,

где d₁ — внешний диаметр всасывающей полости рабочего ко­леса;

d — диаметр вала.

Следовательно, сила давления жидкости на рабочее колесо в области всасывания составит

.

В конструкциях центробежных насосов всегда предусматри­вается тщательное отделение области всасывания с начальным давлением р ₁от области нагнетания с конечным давлением р ₂. Такое отделение осуществляется с помощью уплотнительных ко­лец. Зазор между внутренней поверхностью уплотнительного кольца и внешней поверхностью рабочего колеса по диаметру входа должен быть небольшим, порядка 0,15—0,2 мм.

 

Выход жидкости из рабочего колеса осуществляется свобод­но, подчас при значительном расстоянии между выходным диа­метром D ₂рабочего колеса и внутренним диаметром направляю­щего аппарата или соответствующей кромкой приемного отвер­стия нагнетательного патрубка.

Поэтому давление р ₂действует на всю площадь F ₂заднего диска рабочего колеса, определяемую величиной ,и на площадь кольцевого покрывного диска . Причем, силы, обусловленные давлением р ₂,действующие на обе стороны рабочего колеса, по направлению взаимно про­тивоположны.

Определим силы давления по обе стороны рабочего колеса, которые обусловлены действием давления нагнетания р ₂:

,

где P ₂ — полная сила давления на всю площадь заднего диска рабочего колеса; Р ₃ — полная сила давления на кольцевой покрывной диск ра­бочего колеса.

Осевая сила Р _ос,очевидно, является равнодействующей пере­численных сил Р ₁, Р ₂и Р _з,причем, направление ее соответствует направлению большей силы:

или после приведения подобных членов получим

.                       (49)

Таким образом, осевое давление определяется произведени­ем разности между конечным давлением, которое создает насос (р ₂),и начальным давлением на всасывании р ₁,умноженной на площадь живого сечения потока при входе в рабочее колесо. Так как ,то осевое усилие Р_ос направлено в сторону всасы­вания.

Осевое усилие Р _ос стремится сдвинуть рабочее колесо вместе с валом в сторону всасывающего патрубка. Если это усилие окажется достаточно большим, оно приведет к поломке подшип­ников, истиранию в первую очередь уплотнительных колец, а затем и ко взаимному истиранию корпуса насоса и рабочего ко­леса.

Чтобы предотвратить эти явления, которым сопутствует уве­личение расхода мощности, потребляемой насосом, и падение его КПД, применяют различные способы.

1. Установка упорных или гребенчатых под­шипников скольжения.

Такой способ предотвращения вредного влияния осевого уси­лия применяется только при очень небольшой осевой силе как вспомогательная мера, или в случае невозможности применить другие способы, перечисленные ниже.

2. Сверление   разгрузочных отверстий.

Для уравновешивания сил давления в центральной части ра­бочего колеса сверлят отверстия (рис. 15 а) 1 в заднем диске рабочего колеса. Таких разгрузочных отверстий может быть ча­ще всего четыре. С их помощью выравнивается давление жид­кости с обеих сторон рабочего колеса. Чтобы предотвратить перетекание жидкости через эти отверстия из области высокого давления на нагнетании в область низкого давления на всасыва­нии, делают кольцевые выступы 2 на наружной стороне заднего диска и устанавливают охватывающие его с небольшим зазором уплотнительные кольца 3 в корпусе насоса.

Сверление отверстий в центральной части рабочего колеса как метод уравновешивания осевого давления является наиболее простым и распространенным.

3. Применение гидравлического приспособ­ления с разгрузочным диском.

Если осевые усилия достигают больших значений, например, в высоконапорных многоступенчатых насосах, то сверление раз­грузочных отверстий в центральной части рабочих колес оказы­вается недостаточным. В этих случаях после конечной ступени насоса на нагнетании монтируется гидравлическое приспособле­ние, с помощью которого создается усилие на ротор насоса, рав­ное осевому, но противоположно ему направленное.

На рис. 15 в   показана последняя ступень многоступенчатого насоса. На одном валу с рабочим колесом посажен на шпонке разгрузочный диск 2, имеющий уплотнительное кольцо 6 с перед­ней стороны и такое же кольцо 4 с тыльной. Зазоры в этих уплотнительных приспособлениях — минимальные, только для обеспечения жидкостного трения между вращающимися и не­подвижными поверхностями.

Разгрузочный диск с уплотнительными приспособлениями монтируется в специальной камере 5, которая разделена на две части диафрагмой с уплотнительным кольцом. Правая часть ка­меры соединяется со свободной атмосферой при помощи отвер­стия 5. Если от этого отверстия провести трубку к всасывающей камере насоса, то давление в камере будет практически равно давлению всасывания. В полости насоса за задним диском по­следнего рабочего колеса, как известно, будет конечное макси­мальное давление. Это давление действует не только на задний диск рабочего колеса в сторону всасывания (влево), но и на разгрузочный диск (вправо) — в противоположном направлении осевому усилию.

 

При соответствующих размерах разгрузочного диска, кото­рые могут быть рассчитаны, осевое усилие полностью уравно­вешивается. Конечно, для этого необходимо, чтобы с внешней (правой) стороны разгрузочного диска было пониженное давле­ние, приближающееся к давлению всасывания или к атмосфер­ному давлению.

4. Применение насосов двустороннего всасы­вания.

Для выравнивания осевого давления применяют насосы дву­стороннего всасывания, у которых осевое давление вообще от­сутствует (рис.16 а).

В многоступенчатых насосах применяют иногда такую схему установки рабочих колес, при которой всасывающие стороны половины ступеней расположены симметрично, но противопо­ложно по направлению всасывающим сторонам другой полови­ны ступеней (рис.16 б). Причем, компоновка работы ступеней по обе стороны установки может быть различной.