Осевые силы в центробежных насосах
Во время работы одноступенчатых насосов с односторонним входом и многоступенчатых насосов турбинного типа возникает осевое давление, которое при отсутствии разгрузочных устройств может вызвать осевое смещение вала с рабочим колесом в сторону всасывания.
Осевой сдвиг в эксплуатационных условиях может произойти и при наличии разгрузочных устройств из-за износа уплотнений. Поэтому устройства для разгрузки осевого давления в насосе должны обеспечивать надежную работу как в нормальных условиях эксплуатации, так и в случае значительного износа уплотнений. В противном случае износ уплотнений будет приводить к аварии устройств, уравновешивающих осевое давление.
Рис. 31. Эпюра распределения давления.
Рассмотрим теперь причины возникновения осевого давления. На (рис. 31) изображена эпюра распределения давления, действующего на левую и правую поверхности рабочего колеса. Увлекаемая рабочим колесом жидкость в пространстве между колесом и корпусом насоса вращается с угловой скоростью, равной примерно половине угловой скорости давления рабочего колеса. В связи с этим давление на наружные поверхности дисков рабочего колеса изменяется вдоль радиуса по параболическому закону. Давления справа и слева в области от R2 до R1 равны и уравновешиваются.
В пределах от R1 до Rb (радиус вала или втулки) давление слева, равное давлению у входа в насос, значительно меньше, чем давление справа. Следовательно, на рабочее колесо действует осевая сила давления, направленная справа налево (в сторону входа в рабочее колесо) и равная объему эпюры разности давлений на наружные поверхности дисков рабочего колеса. Строго говоря, осевое усилие зависит также от динамического воздействия потока жидкости внутри рабочего колеса при изменении направления движения из осевого в радиальное.
Однако это воздействие незначительно по сравнению с силой, обусловленной разностью давлений. Осевое усилие приближенно можно определить как разность сил давления справа и слева в пределах от R1 до Rb. 
где A0 — осевое усилие в кг R1 - наружный радиус входного отверстия рабочего колеса м; Rb — радиус вала в м; H —напор насоса в м, γ — объемный вес жидкости в кг/мг.
Разгрузка осевого усилия осуществляется следующими способами:
Рис. 32. Способы уравновешивания осевых усилий: а) двухсторонний вход; б) разгрузочное отверстие с уплотнением; в) встречное расположение рабочих колес.
1. Применением рабочих колес с двухсторонним входом, у которых в силу осевой симметрии осевой сдвиг не возникает (рис. 32а).
2. Созданием камеры между дисками рабочих колес, в которой давление с помощью разгрузочных отверстий и второго уплотнения за диском: уравновешивается с давлением на входе в колесо (рис. 326).
В рабочем диске колеса близ втулки делаются отверстия, через которые жидкость поступает в камеру за рабочим колесом, ограниченную кольцевым уплотнением. Таким образом в камере поддерживается давление, близкое к давлению всасывания.
При одинаковых диаметрах и зазорах уплотнений с обеих сторон рабочего колеса силы осевого давления на колесо почти полностью уравновешиваются. Недостаток этого способа разгрузки осевого усилия заключается в том, что перетекание жидкости через такие отверстия неблагоприятно влияет на условия входа потока на лопатки рабочего колеса, что уменьшает к. п. д насоса.
Камера за диском рабочего колеса с давлением, равным давлению всасывания, может быть создана также с помощью второго уплотнения на задней стороне рабочего колеса и перекидной трубки, соединяющей указанную камеру с всасывающим патрубком.
3. Применением встречного расположения колес у многоступенчатых насосов (рис. 32в) с радиально-упорными подшипниками на случай износа уплотнений.
Рис. 33. Уравновешивание осевого усилия разгрузочной пятой (диском).
4. Уравновешивание разгрузочным диском. Специальное гидравлическое устройство, обеспечивающее полное равновесие ротора многоступенчатого насоса на всех режимах, можно применить без упорного подшипника. Такое устройство носит название гидравлическая пята или разгрузочный диск.
Уравновешивание осевого давления разгрузочным диском обеспечивает минимальный габарит ротора в осевом направлении и разгрузку сальника со стороны нагнетания от действия осевого усилия. В этой схеме на одном валу с рабочими колесами устанавливают диск так, что ротор вместе с разгрузочным диском представляют одну жесткую систему.
Такой диск располагают с наружной стороны крышки корпуса в специальной камере, сообщающейся со стороны колес с областью нагнетания, а с другой стороны — с областью всасывания через специальную трубку (рис. 33). Некоторая незначительная часть производительности насоса проходит из камеры нагнетания в эту камеру разгрузки.
Пройдя через узкую радиальную щель δ1 между кольцом корпуса и диском, жидкость теряет на сопротивление в щели часть напора и поступает в камеру за диском с давлением Pv < Pr откуда по специальной трубе уходит во всасывающий патрубок насоса.
При этом разгрузочный диск создает осевое усилие, направленное в сторону, противоположную осевой силе, возникающей на рабочих колесах. Если диаметр разгрузочного диска подобрать таким, что его осевая сила будет равна суммарной осевой силе всех рабочих колес, то автоматически произойдет уравновешивание осевых давлений.
