离心泵的无声杀手径向力

前言

如果你询问维护人员或操作员：“为什么大多数离心泵会出现故障？”他们会说泵的故障主要是由于机械密封和轴承问题引起的，偶尔还会出现断轴。

大多数泵故障的共同点可以归结为由过大的径向力引起的轴偏转。同样，过大的推力几乎总是泵在允许工作区（AOR）之外运行的直接结果。鲜为人知或不为人知的是，叶轮上不平衡的吸入负载（不均匀的进口液流）、不匹配的形状（叶轮与壳体）、转子不平衡和不正确的间隙也会产生过大的径向力。

以下为计算径向力FR的基本公式：

式中，

FR=径向力，N（lb）

KR=推力系数（随流量和比转速而变化，请查阅制造商文件或水力学会ANSI/HI1.3标准）

H=给定流量下的扬程，m（ft）

D2=叶轮直径，m（in.）

b2=叶轮宽度，m（包括盖板厚度，in.）

ρ=泵送介质密度，kg/m3

SG=介质的比重

无论泵的大小或类型如何，无论何时运行泵，都需要管理统称为“总动态负荷”的动态力。总动态负荷是整台泵中表现为径向和/或轴向载荷的所有力的总和。有许多力以多个角度和大小作用于轴中心线，可以通过矢量分析过程测量。与轴中心线成直角（垂直）的合力为径向力，这种直角力通常也称为横向力。

设计师可以结合具体情况通过设计来减少和/或消除径向力对离心带来的负面影响，并且在设计过程中需要做出各种权衡（或妥协），通常会在效率和/或可靠性之间进行权衡。

泵的径向力是一个可以计算的值，设计师需要知道该值，以便确定力和随后的应力水平。只有知道实际的力和应用水平才能正确确定轴和轴承的尺寸。为了计算负载，需要知道特定流量下的扬程，以及液体的密度（或比重）、推力系数和一些关键的叶轮尺寸。径向力的大小将随壳体几何形状、比转速和泵在性能曲线上（运行点）的位置而变化。需要注意的是，叶轮的宽度始终是一个主要影响因素；叶轮越宽，径向力越大。

径向力的大小可以通过改变壳体/蜗壳的几何设计来减轻，径向力引起的轴偏转可通过轴的设计和合理的轴承布置来缓解。

轴偏转

在径向力的作用下，几乎没有跳动的完全笔直的泵轴在运行时实际上可能会发生弯曲，然后在泵静止时再次恢复到完全笔直状态。泵在旋转过程中所产生的径向力仅从一个“合力方向”推动轴，因此每转一圈会导致轴弯曲（偏转）两次。偏转发生在彼此旋转°时。因此，在3,rpm下运行的泵轴每分钟将弯曲（偏转）7,次，每小时将偏转,次，一年将偏转超过37亿次。

大多数泵轴设计能承受一定程度的偏转和循环应力，但如果你的泵轴不断损坏，通过更换更坚固的材料并不能从根本上解决问题。可以通过更改运行点（高效区运行）和/或壳体和叶轮的设计来减少径向力。

请注意，如果叶轮不平衡，也会导致轴偏转。此外，如果轴变形弯曲或轴上有轴套，且轴套和轴之间存在偏心，这也会导致“轴跳动”问题。

这三个问题可能同时发生，即叶轮不平衡引起的“轴振”、轴弯曲引起的“轴跳动”以及径向力过大而导致的“轴偏转”可能同时发生。这些是机械密封、轴承和泵轴的杀手。

图1：不同壳体的径向力比较

如何减轻轴偏转？

可以采取的最重要的步骤是确保泵在允许工作区内运行。如果不知道该范围在哪里，请咨询泵制造商。作为一般准则，在偏离最佳效率点（BEP）流量±10%的范围内运行是理想的，而低于30%和高于15%流量下运行则会使泵的可靠性显著降低。当泵在BEP或其附近运行时，轴偏转最小。绝大多数离心泵做不到在BEP下运行，其原因包括系统曲线计算不正确、初始泵选型不正确，或者系统曲线或运行要求自系统设计开始以来发生了变化。

对于端吸悬臂式泵，检查轴刚度系数（也称轴挠性系数）。从技术上讲，这是轴的L3/D4的比值，其中D等于机械密封轴套处的轴径，L是径向轴承与叶轮出口中心线之间的跨距，见图2。该比值源自基础机械工程静力学和动力学课程中使用的经典悬臂梁挠度公式。因为它是一个比值，所以没有单位。该比值越低越好。

图2：悬臂泵转子

蜗壳：一个关键部件

泵蜗壳因其环绕叶轮的螺旋形外壳而得名。蜗壳是泵中经常被遗忘但仍然至关重要的部件。并非所有的蜗壳设计都是一样的。蜗壳充当从叶轮流出的液体的收集和压力容器。蜗壳还方便地将液体引导至出口法兰。在这个过程中，泵的神奇之处在于，叶轮传递的液体速度能被转换成蜗壳中的压力能。不过需要注意的是，蜗壳在扬程的形成中不起作用，因为这完成是由叶轮完成的。

从热力学第一定律（能量守恒定律）可知：能量既不会凭空产生也不会凭空消失，但它可以从一种形式转化为其它形式。我们可以讨论它是伯努利方程还是欧拉方程，但我们同意液体的速度能在蜗壳中被转化为压力能。

运行中的理想蜗壳在其圆周周围具有恒定的速度分布，且流速接近泵的设计点（通常为BEP）。恒定速度也会在蜗壳周围产生压力平衡。然而，当流速在任一方向偏离BEP（偏大流量或偏小流量）时，产生的压力和径向力都会增加。

单蜗壳

几乎所有公称壳体直径等于或小于12英寸（mm）的单级离心泵都会采用单蜗壳设计。不同的制造商可能会在较大或较小的尺寸上存在一些差异。

如果泵采用单蜗壳设计（一个通道和一只蜗舌），当泵在远离BEP的任何方向运行时，合成的径向力将呈指数增长。如果向小流量方向移动，则合力将在与蜗舌呈度的一个方向上显现。如果向大流量方向移动而远离BEP，则合力方向将会出现反转，并将在与第一个点（该点与蜗舌成60度角）成度的位置上。在检查泵故障的根本原因时，可以使用此信息。

双蜗壳

一旦泵壳体的尺寸增加到直径超过12英寸（公称尺寸），就需要通过除更粗的轴和更大的轴承（过于简单化）之外的其它方式来解决动态径向力问题。这是通过增加（与第一个成度角的）第二个蜗舌和第二个独立通道来实现的，第二个蜗壳的加入显著降低了径向力。双蜗壳设计并不完美，因为从每个蜗舌边缘到泵出口法兰的通道的长度，出于必要，明显不同。

导叶

多年前，在泵壳体中安装导叶（也称扩散体）的离心泵相当常见，尤其是多级泵。如果不熟悉导叶式泵，很容易将它们看作是数量更多的蜗壳和蜗舌。导叶中有9个或10个通道并不少见。

导叶将大大降低曲线上几乎所有流量下的径向力水平。由于蜗舌数量的增加，以及众多通道的额外摩擦，会产生寄生负载，因此效率会略有下降。

在过去的50年里，工业市场已经将径向力的降低以及导叶泵的可靠性换来了蜗壳泵的较低初始成本。与蜗壳泵相比，导叶泵的成本更高。

如今，导叶泵普遍应用于高能场合，如电厂锅炉给水泵和API炼油和蒸馏服务的多级泵。在立式涡轮泵设计中，导叶式叶片仍然经常使用。

特殊壳体

单蜗壳和双蜗壳外形几何形状相同，其中蜗壳的中心偏离叶轮中心。因此，相应的流动路径（展开时会）呈扩张的管口形状。蜗壳从一个小通道（环形空间）开始，横截面积不断增加，直到在出口法兰处达到最大横截面积。这种设计使泵的效率更高，但当流量偏离BEP的任何一侧时，会产生较高的径向力负载。

有时，你需要一台可以处理低流量、高扬程的泵，如扬程ft到ft（m到m），流量仅为50gpm（11.4m3/h）。此应用中如果采用标准的不同心蜗壳，将会导致泵频繁出现故障、甚至无法正常运行。大多数泵制造商将提供具有同心蜗壳的泵，使这种高扬程、低流量工况下可靠运行成为可能，而不会导致泵频繁出现故障的情况，或者正如你现在所知道的，其根本原因是径向力所造成的。同心蜗壳泵的缺点是效率降低；优点是可靠性提高。

同心蜗壳也称为非扩张蜗壳，其中心线与叶轮中心线一致，因此，叶轮周围的环形空间（流体通道）的横截面积相同。叶轮的设计将有所不同，因为它将具有高整体性和低比转速的径向叶片。

如果你经常遇到泵问题并且无法弄清楚根本原因，应仔细检查和分析是否是径向力的问题。

注：本文主要作者为JimElsey，由泵沙龙翻译整理并进行小部分修改。JimElsey是一名机械工程师，拥有50年设计和运营经验，主要

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