漫谈多级离心泵的平衡机构
漫谈多级离心泵的平衡机构
01
前言
离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能转化为介质的压力能 - 泵的出口和入口之间会产生一个压差，而在该压差的作用下会出现一个由出口高压指向入口低压的力，该力称之为轴向推力。单级、单吸离心泵的轴向推力相对较小，可以通过平衡孔+耐磨环的方式来平衡（残余轴向力则由推力轴承承受）。然而，对于多级离心泵来说，这个轴向推力相对较大，如果不采用适当的措施来平衡，将对轴承及其它零部件造成伤害。
02
平衡机构的工作原理
根据所使用的工况不同，多级离心泵常用的平衡机构有三种：平衡鼓、平衡盘和双平衡鼓（介于平衡盘于平衡鼓之间的）结构，它们装在泵的末级叶轮之后，随转子一起旋转。不同的平衡机构其间隙数量不同，平衡鼓结构只有一道间隙，平衡盘结构有两道间隙，双平衡鼓结构有三道间隙。另外，还有一种自平衡结构，但不在此漫谈之列。
现以平衡盘为例，它有两道间隙，一道是平衡盘与平衡套间形成的径向间隙b1，另一道是平衡盘与平衡套端面形成的轴向间隙b2，平衡盘后面的平衡室通过平衡回水管与泵吸入口相通（见图1）。
图1 平衡盘结构
径向间隙前的压力是末级叶轮后泵腔的压力p3，通过径向间隙b1下降为p4，又经过轴向间隙b2下降为p5，平衡盘后面的压力为p6。平衡盘前面的压力p4大于后面的压力p6，其压差在平衡盘上产生平衡力F，指向左方，用以平衡作用在转子上的指向右方的轴向力A。平衡盘是靠泄漏产生的压差来工作的，没有泄漏，就没有平衡力。在设计平衡盘时，应设法在最小泄漏下产生大的平衡力。通常，泵平衡盘的泄漏量为额定流量的3% - 8%。
平衡盘象一个浮动的液体润滑轴承，平衡盘和平衡鼓不同，它能自动平衡轴向力，这是因为平衡盘两个间隙相辅相成的结果。
泵在工作过程中，由于工况点的变化和耐磨环磨损等原因，轴向力也相应发生变化，转子作相应移动以达到新的平衡。但是，由于惯性，移动的转子不会立即停在平衡位置，要靠惯性向前移动稍许后，才能停止。此停止位置已超过了平衡位置，转子要向回移动。可见，平衡盘的工作过程，是处于运动平衡的过程，平衡是暂时的，相对的。
鉴于平衡盘的工作具有左右移动的特点，一般不配备止推轴承。但是，为了提高泵的可靠性、延长机械密封的使用寿命，目前几乎所有带平衡盘的泵均配备止推轴承，这样，虽能平衡轴向力，但在一定程度上限制了平衡盘自动平衡的特点。
03
平衡机构分析比较
多级离心泵轴向力平衡机构主要有：
1）平衡盘；
2）平衡鼓；
3）双平衡鼓（也称为平衡鼓盘，是介于平衡盘与平衡鼓中间的一种结构）。
平衡盘结构（见图1）
平衡盘结构能够平衡泵在任何工况下所产生的所有轴向力，普通清水介质、采用填料密封的情况下，可以不安装止推轴承，结构简单，制造要求不高，造价低，泄漏量小，泵效率高。
对于间歇运行（如石化行业延迟焦化装置中的高压水力除焦泵，每天启动1 - 2次，每次运行2 - 4小时）、频繁起动且介质中含有颗粒工况，泵组每起动或停机一次，平衡盘与平衡套端面就会磨损一次。当平衡盘的磨损量超过离心泵向吸入端所留窜动量时，会使离心泵叶轮前盖板耐磨环（旋转件）与离心泵壳体耐磨环（静止件）发生磨损，严重时会使离心泵转子部件中叶轮与耐磨环发生咬合，从而威胁到泵组的安全稳定运行。
此外，采用平衡盘结构，介质在泵中会稍有升温，尤其在小流量下更甚（因为泵的效率更低）。在这种情况下，平衡泄漏水通过很小的间隙降压，有可能汽化，产生压力波动。当通过平衡回水管直接引入多级离心泵入口时，会使泵发生汽蚀，引起运行不稳定。
在某些大型高压水泵（如：火电厂锅炉给水泵）的起动或停运过程中，为了均匀升温/降温，转子必须低速盘车，尤其采用汽轮机驱动时，汽轮机必须进行更低转速暖机。如果采用平衡盘结构，则由于汽轮机转速很低，泵出水压力较低，平衡盘左右的压差更小，往往不足以打开平衡盘而造成平衡盘的磨损，甚至咬住，难以进行盘车。因此，平衡盘结构转速不能太低也不能太高。
平衡鼓结构（见图2）
图2 平衡鼓结构
平衡鼓是个圆柱体，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转。平衡鼓外圆表面与平衡套间仅形成径向间隙，没有像平衡盘那样（还有一道）轴向间隙，从而保证了多级离心泵在任何变工况下，平衡鼓与平衡套之间均不易发生咬合现象，大大提高了运行的可靠性。
由于平衡鼓与平衡套之间间隙较大，不会像平衡盘结构那样容易出现低速盘车时固体杂物卡在间隙内的现象。但是，平衡鼓结构不能平衡100 % 的轴向力，因为其结构不具备随轴向力的变化而自动平衡的能力。平衡鼓直径通常设计成平衡掉90 - 95 % 的定量轴向力，其余的5 - 10 %的变量轴向力则由一组双向止推轴承承担。
另外，由于平衡鼓的径向间隙较大，其泄漏量在三种平衡机构中也是最大的（约为设计点流量的5 - 20 %），这给泵的效率带来很大影响，因此，该结构通常被使用于那些频繁启停和/或介质中带固体颗粒的多级离心泵中。
双平衡鼓结构（见图3）
图3 双平衡鼓结构
双平衡鼓结构也称为平衡鼓盘结构，它是一种平衡鼓+平衡盘的联合结构。国内泵行业所见到的这种结构最早来自于德国KSB公司，其主要应用于火电厂的高压锅炉给水泵上。其突出优点是既保留了平衡盘自动补偿轴向力变化的能力，又克服了平衡鼓泄漏量大的缺陷。这种结构理论上能平衡100 %的轴向力，但在变工况（如泵起动或停机）下产生的残余轴向力则由双向止推轴承承担，止推轴承将平衡机构限制在一个非常小的范围之内。
推力盘与推力轴承接触时，双平衡鼓结构中的平衡盘与平衡套之间有一个很小的轴向间隙，当多级离心泵在起动或停机过程中、泵组进行低速盘车时，泵出口压力很低，平衡盘左右的压差很小，由平衡鼓和双向止推轴承平衡轴向力，从而使平衡盘与平衡套之间不易磨损或咬住；当泵组正常运转时，平衡盘左右压差增大，平衡盘与平衡套之间的轴向间隙增大，使推力盘与推力轴承脱离，泵转子的轴向力由平衡鼓和平衡盘完全承担。这种平衡机构，既具有平衡盘的优点，又具有平衡鼓加双向止推轴承的优点，安全可靠性高，是一种非常好的平衡机构。
另外，如果在平衡鼓外圆上加上反向螺旋槽或不规则环形槽，可以减小泄漏量，提高泵的效率。其缺点是结构复杂，制造和装配相对要求高。
这种结构最佳的使用工况是输送无固体颗粒的清洁介质。如果用于频繁启动和/或低速盘车工况，将会影响平衡机构的使用寿命（应在标准结构的基础上进行相应的优化设计）。