Осевая и радиальная сила в насосе: откуда берутся и как их разгружают

Колесо центробежного насоса нагружено не только крутящим моментом. Давление воды вокруг него неравномерно, и в результате на вал действуют две силы: осевая — вдоль вала — и радиальная — поперёк. Обе воспринимают подшипники, а их перекос чувствует торцевое уплотнение. Поэтому от того, насколько хорошо эти силы уравновешены, зависит ресурс насоса. Также о том, как подшипники смазываются и обслуживаются, — статья о смазке подшипников насоса.

Откуда берётся осевая сила

Перед колесом, на входе, давление низкое, за колесом — высокое. Вода из полости высокого давления затекает в зазоры между дисками колеса и корпусом. С заднего диска она давит на всю его площадь, а с переднего — только на кольцо снаружи от входа, потому что в центре там всасывание с низким давлением. Разница давлений, умноженная на площадь, даёт силу, которая тянет колесо в сторону всасывания. Это и есть осевая сила. Чем больше напор и диаметр колеса, тем она больше.

Кроме того, вода меняет направление в колесе — входит вдоль вала, выходит поперёк, — и это тоже даёт небольшую осевую составляющую. В погружных насосах с вертикальным валом к осевой силе добавляется вес ротора.

Как разгружают осевую силу

Рёбра на заднем диске особенно полезны для насосов, работающих на грязной воде: они не только разгружают колесо, но и отбрасывают песок от торцевого уплотнения. Виды колёс разобраны в статье о рабочих колёсах насоса.

Радиальная сила

В спиральном отводе давление вокруг колеса равномерно только около точки наилучшего КПД. На малой подаче давление у языка улитки растёт, на большой — падает, и колесо толкает в сторону. Возникает радиальная сила, которая изгибает вал. Она минимальна в рабочей зоне и растёт к краям характеристики, особенно к нулевой подаче.

• в крупных насосах ставят двойную улитку, где две спирали уравновешивают друг друга;
• в погружных насосах радиальную силу воспринимают подшипники двигателя, поэтому работа вдали от рабочей зоны сокращает их ресурс;
• изгиб вала раскачивает торцевое уплотнение и ускоряет его износ.

Устройство улитки описано в статье об улитке насоса, а почему насос не стоит держать на закрытой задвижке, — в статье о работе на закрытую задвижку.

Как осевая сила видна в погружном насосе

В погружном насосе вал вертикальный, колесо внизу, двигатель сверху. Осевая сила от колеса и вес ротора вместе нагружают подшипники двигателя, и один из них работает как упорный. Пока зазоры в проточной части в норме, а насос работает в своей зоне, подшипник справляется с этой нагрузкой весь срок службы.

Ситуация меняется, когда насос долго работает на малой подаче, с изношенными уплотнениями колеса или в густой среде. Нагрузка на подшипник растёт, он греется и шумит, а торцевое уплотнение, которое стоит рядом, начинает работать с перекосом. Поэтому при каждом обслуживании полезно не только смотреть колесо, но и прокручивать вал рукой: тугое или неравномерное вращение — признак того, что подшипники уже страдают. Регламент проверок — в статье об обслуживании дренажного насоса.

Что это значит на практике

• Работать в рабочей зоне. Насос, подобранный с большим запасом и работающий далеко влево от оптимума, нагружает подшипники радиальной силой. См. статью о рабочей точке насоса.
• Следить за зазорами. Износ уплотнений колеса и разгрузочных зазоров меняет баланс давлений, и осевая сила растёт. См. статью о щелевом уплотнении.
• Не забивать разгрузочные отверстия. Если они забиты осадком, разгрузка перестаёт работать.
• Слушать подшипники. Шум и нагрев подшипников — ранний признак того, что нагрузка выросла. См. статью о замене подшипников.

Частые вопросы

Что такое осевая сила насоса? Сила вдоль вала, которая тянет колесо в сторону всасывания из-за разницы давлений на его дисках.

Как разгружают осевую силу? Разгрузочными отверстиями, рёбрами на заднем диске, двусторонним колесом, гидропятой; остаток воспринимает упорный подшипник.

Когда растёт радиальная сила? При работе вдали от точки наилучшего КПД, особенно на малой подаче.

Почему от этого страдает уплотнение? Нагрузки изгибают и смещают вал, торцевое уплотнение раскачивается и изнашивается быстрее.

Вывод: осевая и радиальная силы — естественная нагрузка на ротор центробежного насоса. Их разгружают конструкцией колеса и отвода, а остаток берут подшипники. Чтобы нагрузки не росли, насос держат в рабочей зоне и следят за зазорами. Производитель оборудования — шведская компания Grindex.