Способы разгрузки осевого усилия

Способы разгрузки ротора насоса от осевых сил гидродинамического происхождения

Как известно осевая сила направлена навстречу потоку, входящему в рабочее колесо насоса. Осевая сила приложена к рабочему колесу, а через него ко всему ротору насоса. Существуют различные способы устранения осевой силы.

Рассмотрим первоначально способы, связанные с изменением площади основного диска. Здесь площадь переднего дискаизменению не подлежит, поскольку она меньше площади заднего диска, а увеличение ее невозможно, так как это затруднит вход жидкости в рабочее колесо. Осевую силу устраняют путем уменьшения площади основного диска, как это показано на рис.1.10.

Рис.1.10. Варианты рабочих колес с укороченным основным диском: а – рабочее колесо с лопастями различной длины; б – рабочее колесо с укороченными лопастями

Способы устранения осевой силы за счет изменения давления, действующего в зазорах между передним и задним дисками и корпусом более многообразны. Самый простой, но неэкономичный способ — применение сверления в основном диске (рис.1.11). За счет сверлений зазор между задним дисками и корпусом становится сообщающимся с входом в рабочее колесо, где действует самое низкое давление в насосе.

Рис.1.11. Устранение осевой силы с помощью сверлений в основном диске

В этом случае достигается полная разгрузка ротора от осевой силы. Неэкономичность этого способа заключается в том, что через сверления постоянно движутся потоки навстречу основной массе жидкости, входящей в рабочее колесо насоса, что снижает гидравлический и общий к.п.д. насоса.

Еще один недостаточно экономичный способ разгрузки ротора от осевых сил гидродинамического происхождения приведен на рис.1.12.

Рис.1.12. Разгрузка ротора посредством радиальных ребер на внешней стороне основного диска рабочего колеса

Разгрузка ротора в этом случае достигается за счет того, что при вращении рабочего колеса в очень малых по величине зазорах между ребрами 1 и корпусом насоса создается интенсивное вращательное движение жидкости, то есть движение с достаточно большой кинетической энергией. Это приводит к снижению потенциальной энергии в данном зазоре, а именно к снижению давления.

При рабочих колесах с двухсторонним входом жидкости (рис.1.1, б) с левой и с правой стороны колеса располагаются диски с абсолютно равной площадью их внешней поверхности. Одновременно с этим, давления в зазорах равны. Это приводит к полной разгрузке ротора.

Вариант разгрузки ротора с помощью щелевого уплотнения между основным диском и корпусом насоса представлен на рис.1.13.

Рис.1.13. Разгрузка ротора с помощью щелевого уплотнения между основным диском и корпусом насоса

В зазоре между основным диском и корпусом насоса происходит постоянное течение жидкости, поскольку в концевых уплотнениях намеренно создаются утечки. Щелевое уплотнение для этого потока жидкости представляет значительное местное сопротивление. Поэтому в области между щелевым уплотнением и валом насоса создается давление, заметно меньшее того давления, которое было там до установки уплотнения. В результате, общее давление на внешнюю поверхность основного диска становится меньше и сила, действующая справа налево также уменьшается.

Вариант разгрузки ротора с помощью разгрузочного диска показан на рис. 1.14. Разгрузочный диск 3 помещается в специальной камере (разгрузочной камере), находящейся за основным диском рабочего колеса последней ступени насоса и перед концевым уплотнением. Диск жестко крепится к валу насоса и разделяет упомянутую камеру на две полости 1 и 2. При этом между диском и корпусом камеры (слева от диска 3 на рис.1.14) существует очень малый зазор.

Рис.1.14. Разгрузка ротора насоса с помощью разгрузочного диска

Под воздействием давления в корпусе насоса жидкость из полости 1 перетекает в полость 2, при этом преодолевает зазор между диском 3 и корпусом разгрузочной камеры.

Данный зазор в виду его малости имеет значительное гидросопротивление. Поэтому в нем теряется большая часть давления и в полости 2 давление оказывается меньше, чем в полости 1. На диск 3 с разных сторон его начинает действовать различное давление. Поскольку давление в полости 1 выше, то это приводит к тому, что на диск 3 действует результирующая сила f направленная слева направо. Диаметр разгрузочного диска 3 и зазор между ним и корпусом разгрузочной камеры рассчитываются такими, чтобы сила fравнялась силе F, являющейся результирующей силой, действующей на рабочее колесо насоса. Силы f и Fимеют противоположное направление. Поэтому при их равенстве происходит полная разгрузка ротора от осевых сил гидродинамического происхождения.

Содержание лабораторной работы

Цель лабораторной работы:

Изучение существующих конструкций центробежных насосов.

Содержание лабораторной работы:

1.Изучение теоретических основ настоящего раздела методических указаний

2.Проведение классификации насосов, представленных в разделе 1.3 настоящих методических указаний по следующим признакам:

а) конструкция рабочего колеса насоса;

б) расположение рабочего колеса на валу насоса относительно опор ротора;

в) расположение оси ротора насоса в пространстве;

г) количество ступеней в насосе;

д) конструкция корпуса насоса;

е) тип концевого уплотнения насоса;

ж) наличие и способ разгрузки ротора насоса от осевых сил гидродинамического происхождения;

з) тип подшипников насосов по воспринимаемой ими нагрузке;

Источник

Осевое давление и способы его разгрузки

В насосах с односторонним входом жидкости во время их работы возникает осевое гидравлическое давление, которое стремится сдвинуть ротор насоса (вал с насаженными на него колесами) в сторону, обратную направлению движения жидкости, вступающей в колесо.

На каждое колесо действуют две силы (Рис. 22): направленная справа налево от неуравновешенного давления на ту часть задней стенки колеса, которая расположена против его входного отверстия (так как давление всегда меньше, чем ),и , направленная слева направо и вызы­ваемая отклонением потока жидкости из осевого в радиаль­ное направление при входе в рабочее колесо. Результирую­щая сила называется осевым усилием. Его вели­чина будет тем больше, чем больше диаметр входа ,чем больше разность давлений число последовательно работающих колес.

Уравновешивание осевого уси­лия в насосах осуществляется:

а) двухсторонним впуском жидкости в колесо, а в слу­чае многоколесных насосов— соответствующим групповым расположением колес на валу;

б) сверлением отверстий О в задней стенке колеса, благо­даря которому несколько уменьшается разность усилии, действующих на внешнюю и внутреннюю стенки рабочего колеса; в этом случае колесо имеет уплотнения с двух сторон (Рис. 24).

Для уравновешивания сил давления в центральной части ра­бочего колеса сверлят отверстия (рис. 25, б) 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.

в) устройством гидравличес­кой пяты (рис. 23) у многосту­пенчатых насосов.

Гидравлическая пята пред­ставляет собой диск а, закре­пленный на валу насоса за по­следней ступенью. Действие ее следующее: жидкость из прост­ранства т, пройдя через зазор s, по­ступает в камеру б,изкоторой че­рез кольцеобразную щель 3 выхо­дит в пространство в, соединяемое или с атмосферой или со всасы­вающей трубой насоса. Гидра­влическое давление в простран­стве т стремится передвинуть ротор насоса по направ­лению стрелки q с другой стороны, жидкость оказывает давление и на диск а, площадь которого соответственно подбирается. Если предположить, что щель 3 уменьшается, т. е. ротор под действием осевого усилия смещается влево, то давление в камере б начнет возрастать ввиду увеличения сопротивления при проходе жидкости через щель 3. В резуль­тате этого сила, действующая на диск а по направлению стрелки р (рис. 23), будет также возрастать до тех пор, пока не установится при известной ширине щели 3 равенство сил, действующих по направлению стрелок р и q.

Из указанных способов разгрузки осевого давления первые два не дают полной гарантии от появления случайных осевых давлений при изменении режима работы насоса. Для компен­сации этих случайных осевых усилий насосы снабжаются шариковыми пятами, могущими воспринимать давления, на­правленные в обе стороны.

г) 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. 25,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 трення между вращающимися и не­подвижными поверхностями.

Разгрузочный диск с уплотнительными приспособлениями монтируется в специальной камере 3, 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.

д) применение насосов двустороннего всасы­вания.

Для выравнивания осевого давления применяют насосы дву­стороннего всасывания, у которых осевое давление вообще от­сутствует (рис. 26, 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. 26, б). Причем, компоновка работы ступеней по обе стороны установки может быть различной.

Источник

Осевая сила в центробежном насосе и способы ее уравновешивания

Во время работы одноступенчатых насосов с односторонним входом и многоступенчатых насосов турбинного типа возникает осевое давление, которое при отсутствии разгрузочных устройств может вызвать осевое смещение вала с рабочим колесом в сторону всасывания. Осевой сдвиг в эксплуатационных условиях может произойти и при наличии разгрузочных устройств из-за износа уплотнений. Поэтому устройства для разгрузки осевого давления в насосе должны обеспечивать надежную работу, как в нормальных условиях эксплуатации, так и в случае значительного износа уплотнений. В противном случае износ уплотнений будет приводить к аварии устройств, уравновешивающих осевое давление.

Осевая сила в центробежных насосах может достигать больших значений. Для уравновешивания этой силы в одноступенчатых насосах:

— применяют рабочее колесо с двусторонним подводом жидкости (рис. 8,а);

— выполняют уплотнения на заднем диске колеса (рис. 8, б);

— располагают радиальные ребра на заднем диске колеса (рис. 8, в).

а. Рабочее колесо с двусторонним подводом жидкости	б. Уплотнение на заднем диске колеса	в. Радиальные ребра на заднем диске колеса
Рисунок 8 – Уравновешивание осевой силы в одноступенчатых насосах

У рабочего колеса с двусторонним подводом жидкости (см. рис. 8, а) осевое давление теоретически уравновешено. Однако фактически всегда имеет место какое-то неуравновешенное усилие, обусловленное неравномерным износом уплотняющих колец в процессе эксплуатации.

Уплотнение на заднем диске колеса (см. рис. 8, б) образует за колесом камеру, которая соединяется отверстиями в диске с областью входа потока в колесо. Очевидно, что при таком способе разгрузки увеличиваются утечки, возрастающие по мере износа уплотнения.

Диаметр уплотнения на заднем диске колеса обычно принимают одинаковым с диаметром уплотнения на переднем диске. Гидравлическая уравновешенность таких колес нарушается, если изнашивается одно из уплотнений. Ось отверстий в диске желательно выполнять не параллельно оси насоса, а наклонно в сторону внешнего радиуса колеса. Площадь разгрузочных отверстий должна быть примерно в 4 раза больше площади уплотняющего зазора.

Применение радиальных ребер в качестве разгрузочного устройства основано на том, что жидкость в пространстве между колесом и корпусом будет вращаться с угловой скоростью колеса , а не с половинной угловой скоростью , как в случае отсутствия ребер. Это уменьшает давление жидкости на поверхность заднего диска, имеющего площадь, ограниченную радиусом ребра и радиусом втулки (см. рис. 8, в).

Этот способ уравновешивания требует затраты дополнительной мощности, однако она не превышает мощности, расходуемой в связи с утечками через дополнительное уплотнение на заднем диске (см. рис. 8, б). Существенным недостатком рассматриваемого способа является невозможность обработки заднего диска рабочего колеса при наличии литых ребер; кроме того, возникают трудности при установлении зазора между ребрами и корпусом.

Оставшаяся неуравновешенная часть осевой силы в насосах воспринимается упорным подшипником. Встречаются насосы, у которых гидравлическая разгрузка отсутствует, и осевая сила целиком передается на упорный подшипник.

В многоступенчатых насосах для уравновешивания осевой силы используются следующие способы:

— располагают рабочие колеса всасывающими отверстиями в разные стороны;

— применяют автоматическое разгрузочное устройство – гидравлическую пяту или диск.

Уравновешивание по первому способу показано на рис. 9. При четном числе ступеней рабочие колеса могут быть разделены на две группы так, чтобы своими всасывающими отверстиями они были обращены в противоположные стороны. Если число ступеней нечетное, то первую ступень выполняют с двусторонним входом жидкости.

Рисунок 9 – Уравновешивание осевой силы путем расположения рабочих колес

Уравновешивание осевой силы при помощи гидравлической пяты (диска) показано на рис. 10.

	1 – Разгрузочный диск; 2 – Кольцо; – Радиус пяты (диска); – Радиус втулки; – Внутренний радиус кольца 2.
Рисунок 10 – Уравновешивание осевой силы при помощи гидравлической пяты

Принцип действия этой пяты заключается в следующем: вода из последней ступени насоса поступает в камеру К1 между разгрузочным диском 1 и неподвижным кольцом 2 через зазор . Давление в камере К1 создает усилие, направленное вниз. Если это усилие будет больше, чем усилие на рабочие колеса, то диск опустится, увеличится осевой зазор возрастут утечки, а следовательно, и потери в зазоре ; вследствие этого упадет давление в камере К1 и, очевидно, зазор установится таким, что будет обеспечено уравновешивание усилий на колеса и диск. При увеличении осевого усилия на колеса зазор наоборот, уменьшится.

Вода из камеры К2 при давлении отводится по трубке во всасывающую часть насоса.

Источник