3.1.2. Уравновешивание осевой силы колеса.

У открытых крыльчаток на спинку действует полная сила гидростатического давления, создаваемого на выходе (в нашем случае р = 0,5 МПа, см. рис. 17).

Р₁– давление со стороны всасывающей трубы, которое меньше атмосферного;

Р₂– давление в зазоре между рабочим колесом и направляющим аппаратом, которое больше атмосферного и, соответственно, Р₂Р₁, таким образом из-за разности давления Р₂ и Р₁ должен установиться ток жидкости через щели и неплотности уплотняющих колец из пространства на периферии рабочего колеса в пространство всасывающей трубы через полость «С».

Рис.17. Осевая сила.

Жидкость, заполняющая полость «С» вращается с рабочим колесом. Развивающаяся при этом центробежная сила задерживает поток жидкости. Давление в полости «С», очевидно, установится среднее между Р₂ и Р₁ в зависимости от величины указываемых неплотностей. Примем как первое приближение, что давление в полости «С» равно Р₂. Что касается полости «В» с наружной стороны колеса, то в ней у периферии должно установиться давление, равное Р₂, которое к центру должно убывать под действием центробежной силы. При этом очевидно, что осевая сила N равна разности давлений по обе стороны рабочего колеса, умноженной на площадь:

N = (d₂² /4 - d² /4)Р ₂- (d₂² /4 - d₁² /4)Р ₂ - (d₁² /4 - d² /4)Р₁; (8)

или N = (d₁² /4 - d² /4)(Р₂ - Р₁). (9)

Следовательно, вообще осевая сила будет тем больше, чем больше разность давлений Р₂ - Р₁ и чем больше входное сечение, а вместе с тем подаваемое насосом количество воды. В действительности осевое давление, которое нужно принимать во внимание при конструировании насоса, будет меньше найденного вследствие существования некоторого давления в обратном направлении – от реакции воды при отклонении ее из осевого направления в радиальное во время входа в колесо и вследствие того, что давление в пространстве «С» не равно Р₂, как это принято выше, а меньше его вследствие уже указанных причин [10].

Результирующая осевая сила N, направленная в сторону всасывания, достигает значения примерно 9800 Н (980 кг, т.е. почти 1 тонна).

Компенсировать действие осевой силы можно различными способами (см. рис. 18 б, в):

1) введением разгрузочных отверстий между полостями всасывания и нагнетания (рис. 18, б)

2) установкой закрытого двухдискового лопастного колеса с двусторонним уплотнением (рис. 18, в).

а) б) в)

Рис. 18. Уравновешивание осевой силы крыльчатки.

Условие гидростатической уравновешенности заключается в том, чтобы диаметры обоих уплотнений были одинаковыми, а суммарная площадь разгрузочных отверстий была по меньшей мере равна площади кольцевого зазора в уплотнении.

Для рассматриваемого примера: диаметр уплотнения D_у=130 мм, радиальный зазор S = 0,1мм, число разгрузочных отверстий n = 8, см. рис. 19. Тогда:

0,785·n·d² ≥ 0,1·n·D_у, (10)

откуда d≥0,05D_у 2,5 мм.

Принимаем с запасом d = 5мм.

Рис. 19. Крыльчатка с уравновешенной осевой силой.

Уплотнения выполняем в виде цилиндрических выступов на дисках колеса, входящих с зазором в кольца, запрессованные в корпусе насоса. Учитывая возможность попадания грязи на уплотняющие поверхности, кольца выполняем из мягкой бронзы.