СИЛЫ, ДЕЙСТЫВУЮЩИЕ НА ПОДШИПНИКИ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ.
ОСЕВАЯ СИЛА В НАСОСАХ.

В работе насосов есть два важнейших фактора, которые часто не учитываются, но имеющих решающее значение для их работы - это радиальная и осевая силы, действующие на ротор насоса.
Эти силы, возникающие в насосе, существенно влияют на допустимый рабочий диапазон и надежность насоса.
Понимание причин возникновения радиальных и осевых сил и что наиболее важно их связи с режимами работы насоса крайне важно для всех кто занимается проектированием, эксплуатацией или обслуживанием насосов.

Осевая сила — это суммарная сила, действующая вдоль оси ротора насоса. Эта сила может включать в себя составляющие от разницы давлений, действующих на диски рабочего колеса, изменения момента при вращении рабочих колес и статических сил, таких как вес ротора в вертикальных насосах. Осевая сила может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от направления силы относительно потока жидкости.

Для рабочих колес с односторонним всасыванием (центробежных) положительная осевая сила возникает в направлении, противоположном набегающему потоку по направлению к всасу.
Отрицательная осевая силадействует в противоположном направлении.

Возникновение осевой силы вызванной гидростатическим давлением, действующим на одноступенчатый центробежный насос, показано на рисунке.
Осевая сила складывается из трех составляющих:
1.Гидростатическая сила, действует на передний и задний диски рабочего колеса.
2.Момент силы, вызванный изменением направления потока жидкости через рабочее колесо.
3.Сила вызванная гидростатическим давлением, действующим на отверстие (вход) в рабочее колесо (всасывания) и вал.
Гидростатические силы преобладают в общей нагрузке, действующей на рабочее колесо.

На обычное рабочее колесо радиального типа закрытого типа, с односторонним входом и валом, проходящим через входное отверстие действует осевая сила, поскольку часть переднего диска находится под давлением на входе, в то время как на задний диск (имеющий большую площадь) воздействует давление нагнетания. Если бы давление в камере нагнетания было равномерным по всей поверхности колеса, то осевая сила, направленная в сторону входа, равнялась бы произведению напора (разности давлений), создаваемого колесом, на площадь неуравновешенного кольцевого участка.
В действительности же давление на диски рабочего колеса (закрытого типа с односторонним входом) распределено неравномерно. Жидкость, находящаяся в пространстве между дисками колеса и стенками корпуса, вращается, и давление на периферии колеса существенно выше, чем у ступицы. Хотя нам не требуется выполнять точные теоретические расчеты этого изменения давления, на рисунке оно показано качественно. В целом, осевая сила, направленная в сторону входа, может быть примерно на 20–30% меньше, чем произведение напора на площадь неуравновешенного участка.

Теоретически считается, что в насосах с рабочим колесом двустороннего входа не возникает или минимальна. Это верно лишь отчасти. Осевая сила присутствует. Направление силы может меняться. В зависимости от многих факторов - режима работы насоса, степени износа щелевых уплотнений.
На практике такое равновесие может не достигаться по следующим причинам:

1. Всасывающие каналы, подводящие поток к обоим входным отверстиям, могут не обеспечивать равенства или равномерности потоков, поступающих с обеих сторон.
2. Внешние факторы — например, колено трубопровода, расположенное слишком близко к всасывающему патрубку насоса, — могут привести к неравномерному поступлению потока к входным отверстиям.
3. Каналы нагнетательной части корпуса могут быть несимметричными, либо рабочее колесо может быть смещено относительно центра. Эти факторы изменяют характеристики потока в зазорах между дисками рабочего колеса и корпусом, вызывая разность давлений, действующих на диски.
4. Неравномерные утечки через уплотнительные зазоры могут нарушить равновесие.

Совокупность этих факторов может привести к возникновению осевой неуравновешенности. Для ее компенсации во всех центробежных насосах — даже в моделях с рабочими колесами двустороннего входа — предусматриваются упорные подшипники.

Для устранения осевого усилия, действующего на рабочее колесо одностороннего входа, насос может быть оснащен как передним, так и задним уплотнительными кольцами. Чтобы уравнять площади, на которые воздействует давление, внутренние диаметры обоих колец делают одинаковыми. В камере, расположенной со стороны заднего уплотнительного кольца (у рабочего колеса), поддерживается давление, приблизительно равное давлению на входе в насос; это достигается за счет выполнения в рабочем колесе разгрузочных отверстий. Протечки через заднее уплотнительное кольцо возвращаются в зону всасывания именно через эти отверстия. Однако в крупных одноступенчатых насосах одностороннего входа использование разгрузочных отверстий считается нежелательным, поскольку обратный поток утечки, направленный к входу в рабочее колесо, противодействует основному потоку и создает возмущения. В таких насосах вместо разгрузочных отверстий предусматривается трубопровод, соединяющий указанную камеру с зоной всасывания насоса.

Второе щелевое уплотнение - это старейший метод разгрузки от осевой силы, заключающийся в снижении давления в камере, оборудованной дросселирующим зазором, обычно до уровня давления на входе в рабочее колесо. Давление выравнивается через разгрузочные отверстия в рабочем колесе.
Наличие этих отверстий может привести к изменению результирующей осевой силы из-за изменения условий на входе.

Разгрузочные отверстия - это отверстия в выполненные в ведущем диске рабочего колеса, которые предназначены для выравнивания (балансировки) давления за рабочим колесом и давления на всасывании насоса.
Разгрузочные отверстия помогают уравновесить две гидростатические силы, действующие в противоположных направлениях на поверхности дисков рабочего колеса.
Испытания иллюстрируют влияние этих разгрузочных отверстий на осевую силу действующую на рабочее колесо насоса.
Рабочее колесо без разгрузочных отверстий испытывает бОльшую осевую нагрузку, по сравнению с рабочим колесом с разгрузочными отверстиями.
Величина и направление осевой нагрузки могут измениться по сравнению с расчетным значением, если зазор между обратными импеллерами и корпусом изменился за износа, или не отрегулирован в процессе монтажа в пределах допуска, или если балансировочные отверстия забьются.

Во многих случаях разгрузка при помощи второго (заднего) щелевого уплотнения невозможна. В таких случаях применяются разгрузочные лопасти (импеллеры), которые располагаются на ведущем диске рабочего колеса с внешней стороны.

Вращаясь вместе с рабочим колесом, импеллеры сами работают как рабочие колеса, выталкивая жидкость по направлению от внутреннего диаметра к наружному тем самым снижая давление и уменьшая осевую силу.
Однако этот метод имеет недостаток.
Зазор между разгрузочными лопатками и корпусом очень важен и обычно составляет от 0,4 до 1 мм.
Эффективность разгрузки зависит от зазора (a − h). При увеличении этого зазора увеличивается давление, действующее на ведущий диск, что приводит к увеличению осевой силы.
Такая конструкция менее эффективна, чем конструкция с задним щелевым уплотнением. В среднем обратные лопасти могут привести к снижению КПД насоса до 3%.
Этот способ разгрузки чаще применяется лишь в насосах, перекачивающих загрязненные жидкости, поскольку она предотвращает скопление посторонних частиц в зазоре между задним диском рабочего колеса и корпусом.

Изменение давления жидкости, действующего на ведущий диск рабочего колеса при применении обратных лопаток.

Разгрузочные диски. Принцип работы простого разгрузочного диска показан на рисунке 62. Диск закреплен на валу и вращается вместе с ним. Он отделен небольшим осевым зазором от неподвижного элемента — головки разгрузочного диска (или разгрузочной втулки), закрепленной на корпусе. Утечка через этот зазор поступает в разгрузочную камеру, а оттуда — либо на сторону всасывания насоса, либо в резервуар, из которого насос забирает жидкость. На тыльную сторону разгрузочного диска воздействует противодавление разгрузочной камеры, тогда как на лицевую сторону диска действует переменное давление: от давления нагнетания у внутреннего диаметра до противодавления на периферии. Внутренний и наружный диаметры диска подбираются таким образом, чтобы разность между суммарными силами, действующими на лицевую и тыльную стороны диска, уравновешивала осевое усилие, возникающее на рабочем колесе.
Если в процессе работы осевое усилие, действующее на рабочие колеса, превысит усилие, действующее на диск, последний сместится в сторону головки, уменьшая осевой зазор между ними. Объем утечки через зазор сократится, что приведет к снижению потерь на трение в линии отвода утечки и, как следствие, к падению противодавления в разгрузочной камере. Это падение давления автоматически увеличивает перепад давлений, действующих на диск, и отталкивает его от головки, увеличивая зазор. В результате давление в разгрузочной камере возрастает, и диск снова смещается к головке — процесс продолжается до достижения равновесия.
Для обеспечения эффективной работы разгрузочного диска изменение противодавления в разгрузочной камере должно быть достаточно значительным. Так, при максимальном удалении диска от головки противодавление должно существенно превышать давление всасывания, чтобы результирующая сила вернула диск в нормальное положение.
Этого можно добиться путем установки в линии отвода утечки дроссельного отверстия (диафрагмы), повышающего противодавление при увеличении утечки через диск сверх нормального уровня. Недостатком такой схемы является переменное давление в камере уплотнения; это может негативно сказаться на сроке службы уплотнения, поэтому такой ситуации следует избегать.

За последней ступенью устанавливают диск, который с корпусом образует камеру. Эта камера сообщается через дросселирующую щель во втулке вала с полостью за последней ступенью, а посредством торцовой щели δ — со всасыванием первой сту­пени.
В том случае, когда сила направлена в сторону всасыва­ния, зазор δ уменьшается, благодаря чему в камере А увеличивается давление, так как умень­шается расход через зазор Bа по валу. Уменьшение зазора при правильно спроектирован­ной пяте происходит до тех пор, пока осевая сила не урав­новесится силой на диске пяты. При изменении осевой силы в насосе автоматически изме­няется зазор δ.
Задача проектирования гид­равлических уравновешиваю­щих устройств заключается в выборе конструктивных пара­метров, обеспечивающих на­дежную и экономичную работу устройств.

Одна из наиболее неочевидных причин нагрева подшипников.
Неравномерность потока на входе в насос приводит к тому, что поток жидкости имеет разные скорости и разные давления, действующие на рабочее колесо. Это приводит возникновению нерасчетной осевой силы, действующей на рабочее колесо и на подшипники

Колено на входе в насос при водит к нарушению сплошности потока жидкости и возникновению нерасчетных нагрузок на подшипники насоса.
Такое решение, как правило, вызвано желанием сэкономить место, но снижает надежность насоса и увеличивает затраты на ремонт.

Для того чтобы исключить формирование осевой силы необходимо иметь прямой участок на всасывающем трубопроводе для того чтобы поток жидкости сформировался.
Каждый производитель в руководстве по эксплуатации указывает требование к прямым участкам трубопроводов. Важно соблюдать эти требования.
На рисунке показана рекомендуемая геометрия всасывающего трубопровода для насосов типа «Д» с коленом в одной плоскости с валом насоса.