离心风机基础知识解析：轴向推力计算与滚动轴承选用

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离心风机基础知识解析：轴向推力计算与滚动轴承选用
作者：王军（139-7298-9387）
关键词：离心风机、轴向推力、叶轮、滚动轴承、受力分析、轴承寿命、选型计算
引言
离心风机作为一种将机械能转换为气体动能与压能的通用流体机械，广泛应用于通风、空调、除尘、冷却、工业流程等诸多领域。其性能的可靠性与稳定性直接关系到整个系统的运行效率与安全。在风机设计的诸多技术要点中，转子系统的轴向推力计算与滚动轴承的选用是两大核心且相互关联的课题。它们共同决定了风机转子能否在高速旋转下保持平稳、长期的运行。本文旨在从风机技术的基础出发，深入解析轴向推力的产生机理、计算方法以及滚动轴承的选用原则与校核流程，为风机设计、维护及故障诊断人员提供理论依据和实践参考。
第一章离心风机基本结构与工作原理
在深入探讨轴向推力之前，我们首先需要理解离心风机的基本构成和工作原理。
1.1 基本结构
一台典型的离心风机主要由以下几大部分组成：
1. 进风口（进气箱）：引导气体均匀地进入叶轮。
2. 叶轮：风机的“心脏”，由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。叶轮通过旋转对气体做功，是其获得能量的关键部件。根据叶片出口角的不同，可分为前向、径向和后向三种类型。
3. 机壳（蜗壳）：收集从叶轮中流出的气体，并将其动能部分转化为静压能，最后导向出口。其型线通常设计为对数螺旋线，以减小流动损失。
4. 主轴：传递扭矩，支撑叶轮等旋转部件。
5. 轴承座与轴承：支撑转子系统，承受径向和轴向载荷，保证其灵活、平稳地旋转。
6. 传动组：包括电机、带轮（或联轴器）等，提供动力并传递至主轴。
1.2 工作原理
电机驱动叶轮高速旋转，叶轮叶片流道间的气体在离心力的作用下，被从叶轮中心（进口）甩向叶轮外缘（出口）。在此过程中，气体的速度和压力均得到提高。高速气体离开叶轮后进入蜗壳，流通截面逐渐扩大，气体速度降低，部分动能进一步转化为静压能，最终形成具有一定压力和流量的气流从出口排出。与此同时，叶轮中心区域由于气体被甩出而形成低压区，外部气体在大气压作用下被源源不断地压入进风口，从而形成了连续的气体流动。
第二章轴向推力的产生机理与计算
2.1 轴向推力产生的原因
轴向推力是指作用在风机转子上、平行于主轴方向的力。其产生原因复杂，主要可归结为以下几点：
1. 气体压力分布不均：这是最主要的原因。叶轮工作时，其前盘与后盘外侧的空腔（通常与风机进口或大气环境相通）与叶轮出口的高压区之间存在压力差。由于结构原因，后盘（靠近轮毂和轴承侧）的暴露在高压气体中的表面积通常大于前盘，导致一个指向风机进口方向的净推力（F1）。
2. 进气流动的不对称性：对于单吸式风机（只有一个进风口），气体仅从一侧吸入，叶轮进口区域存在压力不对称，也会产生一个指向驱动端的轴向力（F2）。
3. 动动量变化：气体从轴向吸入转为径向流出，其动量发生变化，根据动量定理，会对叶轮产生一个反作用力，此力在轴向也有分量（F3），但其数值通常远小于前两者。
4. 转子重力：对于水平安装的风机，转子自身重力在轴向无分量。但对于垂直安装的风机，整个转子的重力将构成轴向载荷。
因此，总的轴向推力 F_axial 是上述各分力的矢量和，对于最常见的单吸式、水平安装风机，其方向总是指向电机侧（驱动侧），计算公式可概括为：
总轴向推力 F_axial ≈ F1 + F2
2.2 轴向推力的详细计算
精确计算轴向推力较为复杂，工程上常采用简化模型进行估算，其核心是计算因压力不均产生的推力。
2.2.1 压力不均产生的推力 (F1)
这是计算的重点。假设：
P2 ：风机出口静压（帕斯卡 Pa）
P1 ：风机进口静压（帕斯卡 Pa），对于敞口进口，可近似为大气压。
ρ ：气体密度（千克/立方米 kg/m³）
U2 ：叶轮外缘线速度（米/秒 m/s）
D2 ：叶轮外径（米 m）
Dm ：轮毂或轴盘直径（米 m）
Dh ：叶轮进口处轮毂直径（米 m），对于无轮毂的闭式叶轮，Dh 可近似为轴径。
叶轮出口处的理论压力（不考虑损失）可近似表示为：
P2' ≈ P1 + (ψ * ρ * U2²) / 2
其中 ψ 是一个压力系数，对于后向叶片约为0.4-0.6，径向叶片0.6-0.8，前向叶片0.8-1.2。
但实际上，叶轮后盘空腔内的压力并非均匀的 P2，而是从轴心处的较低压力渐变到外缘的较高压力。工程上为简化计算，常假设该空腔内的平均压力 P_cavity 为：
P_cavity ≈ P1 + (ρ * U2²) / 4
那么，作用在后盘上的轴向力 F_back 为：
F_back ≈ P_cavity * (π (D2² - Dm²) / 4)
作用在前盘上的力更为复杂，因为前盘外侧是进口气流。通常认为前盘外侧压力接近进口压力 P1。因此，作用在前盘上的轴向力 F_front 为：
F_front ≈ P1 * (π (D2² - Dh²) / 4)
因此，由压力不均产生的净推力 F1 为：
F1 = F_back - F_front ≈ [P1 + (ρ * U2²)/4] * [π (D2² - Dm²)/4] - P1 * [π (D2² - Dh²)/4]
2.2.2 进气动量变化产生的推力 (F2)
对于体积流量为 Q (m³/s) 的风机，进口流速为 C1 (m/s)，根据动量定理：
F2 = ρ * Q * C1
由于 C1 方向轴向，故此力方向与气流吸入方向相反。该力通常较小。
2.2.3 总轴向推力
综上，总的轴向推力为：
总轴向推力 F_axial = F1 + F2
在工程设计和轴承选型中，为了安全起见，通常会在此计算值上乘以一个安全系数 K（一般取1.5~2.0），即：
设计轴向载荷 F_a = K * F_axial
第三章轴向推力的平衡方法
过大的轴向推力会给轴承带来沉重负担，降低其寿命，因此常需采取措施予以平衡或减小。
1. 平衡孔：在叶轮后盘上靠近轮毂处开设数个通孔，使后盘空腔的高压气体能泄漏到低压的进口侧，从而减小两侧压力差。此法简单有效，但会降低风机效率（产生内泄漏）。
2. 平衡管：原理同平衡孔，用一根外部管道将后盘空腔与风机进口连接起来，效果更好且对效率影响较小，但结构稍复杂。
3. 双吸式叶轮：采用双侧进气，两侧产生的轴向力方向相反，可自动抵消。这是最有效的平衡方式，常用于大型高压风机。
4. 推力轴承：最终无法被完全平衡的残余轴向力，则由选用的推力轴承来承受。这是最直接和最终的手段。
第四章滚动轴承的选用与校核
轴承是风机的关键支撑部件，其选型是否正确直接决定风机的运行可靠性和寿命。
4.1 轴承类型选择
风机主轴轴承主要承受两种载荷：由叶轮、主轴等重量引起的径向载荷 F_r 和由上述轴向推力引起的轴向载荷 F_a。
深沟球轴承 (60000型)：可同时承受一定的径向和轴向载荷，适用于轴向载荷较小、转速较高的中小型风机。
角接触球轴承 (70000C型)：可承受较大的联合载荷，且轴向承载能力随接触角增大而增强。通常成对安装（背对背DB或面对面DF）。这是风机中最常用的轴承类型，适用于中等轴向载荷和高转速场合。
圆锥滚子轴承 (30000型)：能承受很大的径向和轴向联合载荷。但其极限转速较低，常用于大型、低速、重载的风机。
推力球轴承 (50000型)：仅能承受轴向载荷，必须与只能承受径向载荷的圆柱滚子轴承等组合使用。常用于轴向载荷极大而径向载荷相对较小的特殊场合。
选择时需综合考虑载荷（大小、方向、性质）、转速、调心要求、安装拆卸便利性及成本等因素。
4.2 轴承寿命计算与校核
轴承的选用不能仅凭经验，必须进行严格的寿命计算校核。国际上通用的是IS281标准规定的基于疲劳失效的额定寿命计算法。
基本额定寿命 L10 是指一批相同轴承中90%的轴承在疲劳剥落前能达到或超过的转数（以百万转为单位）或工作小时数。其计算公式为：
L10 = (C / P)^p
其中：
L10 ：基本额定寿命（百万转）
C ：基本额定动载荷（牛顿 N），可从轴承手册中查得。它代表了轴承的承载能力。
P ：当量动载荷（牛顿 N），是一个恒定的径向（或轴向）载荷的假想值。在此载荷下，轴承的寿命与实际联合载荷下的寿命相同。
p ：寿命指数，对于球轴承 p=3，对于滚子轴承 p=10/3。
当量动载荷 P 的计算是校核的关键。
对于主要承受径向载荷的轴承（如深沟球轴承、圆柱滚子轴承），P = X * F_r + Y * F_a
对于主要承受轴向载荷的轴承（如推力球轴承），P = X * F_r + Y * F_a（但通常 F_r 很小）
对于联合载荷的角接触球轴承和圆锥滚子轴承，P 的计算同样遵循此公式。
其中：
F_r ：轴承承受的实际径向载荷（N）
F_a ：轴承承受的实际轴向载荷（N）
X ：径向动载荷系数
Y ：轴向动载荷系数
X 和 Y 的值需根据 F_a / F_r 与一个界限值 e 的关系，从轴承手册中的表格查得。它们与轴承的具体类型、接触角以及 F_a / C0（C0为基本额定静载荷）的比值有关。
考虑可靠性的修正寿命 Lnm
基本额定寿命 L10 的可靠度是90%。若需要更高可靠度，可引入可靠性修正系数 a1：
Lnm = a1 * L10
其中，a1 值可查表（例如，可靠度99%时，a1≈0.25；可靠度95%时，a1≈0.62）。
最终校核
计算出以工作小时数表示的寿命 L10h：
L10h = (10^6 / (60 * n)) * L10
其中 n 是轴承的工作转速（转/分钟 rpm）。
将计算出的 L10h 与风机设计目标寿命（通常要求不少于20,000~40,000小时）进行比较。若计算寿命大于目标寿命，则选型合格；若不足，则需重新选择额定动载荷 C 值更大的轴承，或改变轴承布置方式（如采用多个轴承分担载荷），直至满足要求。
第五章总结与展望
离心风机转子的轴向推力计算与滚动轴承的选用是一项严谨的系统性工作。设计人员必须深刻理解轴向推力的多种来源，并运用科学的简化模型进行估算，为轴承选型提供准确的载荷输入。在轴承选用过程中，不能仅凭经验或简单类比，必须进行详细的寿命计算校核，综合考虑载荷、转速、寿命、可靠性等多重因素，确保选择的轴承型号能够在整个设计寿命期内安全、稳定地运行。