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.

Силы действующие на подшипники можно разделить по следующим признакам:
1.По направлению. Радиальные и осевые силы.
2.По происхождению. Механические и гидравлические.

Механические силы:

• Силы, вызванные дисбалансом ротора насоса.
• Вес ротора насоса (рабочее колес, вал, втулки и т.п.).
• Нагрузки от муфты, ременной передачи и т.п.

Гидравлические силы:

• Силы, действующие на рабочее колесо со стороны жидкости, определяемые гидростатическим давлением.
• Моменты от силы со стороны жидкости при изменении направления движения жидкости.

Гидравлическая радиальная нагрузка возникает из-за ​​неравномерной скорости жидкости, протекающей через отвод насоса.

По мере того, как поток жидкости выходит из рабочего колеса и движется по спиральному отводу, давление жидкости увеличивается. Неравномерная скорость жидкости приводит к неравномерному распределению давления, действующего по окружности рабочего колеса.
Увеличение давления по мере движения жидкости в отводе приводит к увеличению радиальной силы в каждой точке внешнего диаметра рабочего колеса из-за давления, действующего на поверхность рабочего колеса. Сумма всех составляющих радиальных сил создает результирующую радиальную силу, которую передается на вал и радиальные подшипники насоса.

Значение радиальной силы в наибольшей степени зависит от конструкции отвода насоса.
Отвод предназначен для направления потока жидкости от рабочего колеса в напорный трубопровод. В теории в точке максимального КПД спиральный отвод имеет равномерное распределение скорости и давления по периферии рабочего колеса.
В реальном спиральном отводе в точке максимального КПД поток наиболее близок к потоку в теоретической спиральной камере, за исключением участка вблизи языка. Язык необходим для конструкции спирального отвода, как показано на рисунке..

Возмущение потока жидкости на языке вызывает неравномерное распределение давления по окружности рабочего колеса, что приводит к возникновению радиальной силы, действующей на рабочее колесо. Радиальная сила минимальна, когда насос работает вблизи номинальной точки (BEP). Сила направлена ​​в сторону языка. Радиальная нагрузка увеличивается и меняет направление при подаче выше и ниже точки максимального КПД.

Для насосов с однозавитковым отводом наибольшее значение радиальной силы обычно достигается при нулевой подаче в направлении от оси вала по направлению к наиболее узкой части корпуса спирального отвода. По мере увеличения подачи сила уменьшается, до тех пор пока не достигнет своего минимума в точке максимального КПД или около нее. Для насосов с низким, ns = 40, минимальное значение радиальной силы может наблюдаться при подаче около 80% от подачи в точке максимального КПД. Затем величина силы увеличивается при подаче выше оптимальной, ее направление смещается в сторону более широкой части спирального отвода. Точное направление радиальной силы при различных подачах сильно зависит от ns насоса и конструктивных параметров спирального отвода. Нулевое значение радиальной силы часто не встречаются. На рисунке показаны приблизительные границы направления радиальной силы для насосов с однозавитковым отводом.

Обратите внимание на то что радиальная сила значительно увеличивается при смещении рабочей точки насоса относительно точки максимально кпд разница в величине силы может составлять до 8 раз. При проектировании подшипниковых узлов и расчет ресурса. Производители насосов рассчитывают силы, действующие на ротор насоса на границах рабочего диапазона. Вот почему при работе насоса за пределами рабочего диапазона одним из признаков является нагрев подшипников и снижение ресурса. Конструктивно можно снизить радиальную силу за счет применения двухзавитковых спиралей. К этому еще добавляется повышенная вибрация вызвана рециркуляция потока на входе и выходе из рабочего колеса.

На графике показана как изменяется радиальная сила в насосах с отводами разной конструкции - одновитковая спираль, двухавитковая спираль, направляющий аппарат в зависимости от положения рабочей точки относительно точки максимального КПД. Радиальная сила имеет максимальное значение в насосе со спиральным отводом с однозавитковой спиралью.

Распределение давления жидкости в насосе с однозавитковым и двухзавитковым отводом. В двухзавитковом отводе давление компенсируется. Насосы с высоким напором, свыше 50 м, как правило, изготавливаются с двухзавитковыми спиральными отводами. Это снижает радиальную силу во всем рабочем диапазоне. .