侯東偉

(鄭州新力電力有限公司，河南 鄭州 450007)

0 引言

燃煤熱(火)電廠鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火燃燒的柴油，多采用機(jī)械霧化油槍噴射，柴油被機(jī)械霧化時(shí)要求燃油泵提供的壓力較高(3.0～4.0 MPa)，所以，鍋爐燃油泵常采用多級(jí)離心泵。在多級(jí)離心泵將其內(nèi)部工質(zhì)壓力提高的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大的軸向推力，影響多級(jí)泵安全運(yùn)行。鄭州某熱電廠燃油泵采用分段臥式9級(jí)離心輸油泵，由于泵本身的設(shè)計(jì)原因，軸向力不能被平衡盤所平衡，平衡盤因接觸摩擦而嚴(yán)重磨損，造成機(jī)封頻繁漏油等問(wèn)題。因此，必須設(shè)法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。

1 離心泵軸向力的產(chǎn)生及其平衡

1.1 作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力

該廠燃油泵采用分段臥式9級(jí)離心輸油泵，葉輪為單吸封閉式。泵轉(zhuǎn)子上作用的軸向推力主要由以下2個(gè)分力組成:

(1)葉輪前、后蓋板不對(duì)稱產(chǎn)生的軸向力，此力指向葉輪吸入口方向，用FA1表示;

(2)動(dòng)反力，此力指向葉輪后面，用FA2表示。

1.1.1 蓋板力 FA1

由圖1所示，葉輪前、后蓋板不對(duì)稱，前蓋板吸入眼部分沒(méi)有蓋板;葉輪前、后蓋板像輪盤一樣帶動(dòng)前、后腔內(nèi)液體旋轉(zhuǎn)，蓋板兩側(cè)腔體內(nèi)的液體壓力按拋物線規(guī)律分布。

作用在后蓋板上的壓力，除口環(huán)Rc以上部分與前蓋板對(duì)稱作用的壓力相抵消外，口環(huán)以下部分(葉輪輪轂半徑Rh與密封環(huán)半徑Rc之間的圓環(huán)區(qū)域)的壓力減去吸入壓力p1后的軸向力即是FA1，其指向葉輪入口。

圖1 離心泵作用在葉輪的軸向力

1.1.2 動(dòng)反力 FA2

液體沿軸向進(jìn)入葉輪，沿徑向流出。液體通過(guò)葉輪后流向之所以發(fā)生改變，是因?yàn)橐后w受到葉輪作用的結(jié)果。反之，液體給葉輪一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力，該力即為動(dòng)反力，指向葉輪后面。

1.2 多級(jí)泵軸向力的平衡

多級(jí)泵的軸向推力比單級(jí)泵大得多，軸向推力可以達(dá)幾十千牛，甚至上百千牛，該軸向力將拉動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，與固定件接觸摩擦，造成零件損壞以至不能工作，因此，多級(jí)泵軸向力的平衡更為復(fù)雜。該廠多級(jí)燃油離心泵采取平衡盤與平衡鼓聯(lián)合裝置來(lái)平衡軸向推力，如圖2所示。

顯效：經(jīng)治療，原有皮膚瘙癢情況完全消失，且短期內(nèi)未有復(fù)發(fā)；有效：經(jīng)治療，原有皮膚瘙癢情況有明顯改善，或有部分減輕；無(wú)效：經(jīng)治療，原有皮膚瘙癢情況無(wú)任何改善甚至有持續(xù)加重?？傆行?顯效率+有效率。

1.3 平衡盤的工作原理

平衡盤多用于節(jié)段式多級(jí)泵，平衡鼓平衡盤(也稱動(dòng)盤)固定在最后一級(jí)葉輪的后面，和軸一起旋轉(zhuǎn)，在平衡盤前的殼體上裝有平衡座，用螺栓將平衡座固定在泵的殼體上。平衡盤后的空間叫平衡室，平衡室與離心泵的第1級(jí)葉輪吸入室通過(guò)平衡管相連。在平衡盤與平衡座之間有軸向間隙b0和徑向間隙b1。

圖2 平衡鼓平衡盤

當(dāng)離心泵正常工作時(shí)，末級(jí)葉輪后泵腔的壓力為p2，通過(guò)徑向間隙b1后，泄漏到平衡盤中間室的液體壓力降到p1。p1是平衡盤前的壓力，液體經(jīng)過(guò)軸向間隙b0后壓力降到p0。在平衡鼓部分，壓力差(p2－p0)作用在相應(yīng)的有效面積上便產(chǎn)生了一個(gè)指向右方的平衡力F2;平衡盤部分兩側(cè)存在的壓力差(p1－p0)作用在相應(yīng)的有效面積上，便產(chǎn)生了一個(gè)指向右方的平衡力F1，F(xiàn)1+F2與轉(zhuǎn)子上的軸向力FA方向相反。

平衡盤像浮動(dòng)的液體潤(rùn)滑軸承，它能自動(dòng)平衡軸向力。假設(shè)轉(zhuǎn)子上的軸向推力大于平衡力，轉(zhuǎn)子便朝左產(chǎn)生一段微小的位移，此時(shí)，軸向間隙b0減小，泄漏的液體量將會(huì)減少。而徑向間隙b1是不變的，當(dāng)泄漏量減小時(shí)，流過(guò)徑向間隙b1的液體速度減小，阻力損失Δp1減少(Δp1=p2－p1)，此時(shí)，末級(jí)葉輪后泵腔的壓力p2在油泵正常工作時(shí)幾乎不變。p2不變，Δp1減小，則平衡盤前的壓力p1升高。p0在油泵正常工作時(shí)不變，Δp2=p1－p0，則Δp2增大。平衡力F1=Δp2×平衡盤有效面積，因此，平衡力F1增加。軸向間隙b0減小到使平衡力與軸向推力FA相等為止。反之，當(dāng)軸向推力小于平衡力時(shí)，轉(zhuǎn)子向泵的右位移，同樣也能達(dá)到平衡。

2 燃油泵平衡盤磨損的現(xiàn)狀與原因分析

該廠目前有3臺(tái)燃油泵，型號(hào)為65DGY－50*9，全部是多級(jí)(9級(jí))離心泵，揚(yáng)程為468 m，流量為25 m3/h，為鍋爐停爐、點(diǎn)火、穩(wěn)燃提供燃料柴油，2007年12月正式投入使用。

2.1 平衡盤磨損

在2008年1—5月，該廠3臺(tái)供油泵頻繁發(fā)生故障，故障主要表現(xiàn)為機(jī)封泄漏、軸承發(fā)熱與損壞以及泵體發(fā)熱。

拆開油泵進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)平衡鼓平衡盤磨損嚴(yán)重。更換油泵廠家提供的新平衡鼓平衡盤及平衡座后，平衡盤處發(fā)熱至70℃以上。平衡盤摩擦造成柴油經(jīng)油泵升壓后，溫升過(guò)快，只能間斷運(yùn)行。

前面已經(jīng)介紹，平衡盤是用來(lái)平衡軸向推力的，泵在正常運(yùn)行中平衡盤與平衡座之間始終保持有軸向間隙，平衡盤與平衡座之間不會(huì)接觸，更不應(yīng)該出現(xiàn)兩者之間的接觸摩擦。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該泵在運(yùn)行中存在平衡盤的磨損，更換1套新的平衡盤(廠家提供)，裝配前測(cè)量平衡盤與平衡座的厚度，讓油泵連續(xù)運(yùn)行72 h后拆開檢查，發(fā)現(xiàn)平衡盤與平衡座共磨損了4 mm，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子(連同葉輪)向油泵吸入側(cè)位移了4 mm。

解體油泵檢查發(fā)現(xiàn)以下3個(gè)方面的問(wèn)題:

(1)機(jī)封彈簧壓死，摩擦面損壞;

(2)平衡盤及平衡座嚴(yán)重磨損而報(bào)廢;

(3)油泵銅葉輪及葉輪上銅口環(huán)(密封件)因嚴(yán)重磨損而報(bào)廢。

2.2 原因分析與對(duì)策

根據(jù)油泵運(yùn)行情況及部件出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象，可以明確地判斷油泵設(shè)計(jì)上有重大缺陷，平衡盤不能完全平衡軸向力。

據(jù)廠家技術(shù)人員解釋:這種油泵平衡盤磨損很快，因平衡盤嚴(yán)重磨損，軸向位移過(guò)大，致使機(jī)封彈簧壓死后不能回彈，摩擦副不能接觸造成了機(jī)封泄漏。油溫升高也是平衡盤接觸摩擦引起的，因此，需經(jīng)常更換平衡盤。

剩余軸向力的平衡成為該泵檢修的關(guān)鍵，通常采用推力軸承來(lái)平衡多級(jí)泵的剩余軸向力，但該油泵設(shè)計(jì)時(shí)兩端采用的都是N306軸承，該軸承只能用于承受徑向力，不能限制軸和外殼之間的軸向位移，設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮剩余軸向力的平衡。實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)是造成多級(jí)供油泵頻繁故障的真正原因。

在檢修實(shí)踐中，為了平衡油泵剩余軸向力，最終選擇的方案是:在保證平衡盤的2個(gè)間隙(b1為0.25 mm，b2為0.15mm)正確的情況下，在油泵出口端采用角接觸球軸承7306，可以承受徑向和軸向同時(shí)作用的聯(lián)合負(fù)荷。另外，將油泵平衡盤由普通碳鋼材質(zhì)換成耐磨材質(zhì)4Cr13并進(jìn)行表面淬火熱處理。啟動(dòng)油泵，軸承溫度升高，投冷卻水后，軸承溫度正常，平衡盤處溫度正常，進(jìn)行72 h試運(yùn)，運(yùn)行平穩(wěn)，解決了振動(dòng)、發(fā)熱、機(jī)封頻繁泄露等問(wèn)題。

該廠3臺(tái)多級(jí)供油泵經(jīng)過(guò)以上的改進(jìn)，故障率大大降低。

3 防止平衡盤磨損的建議

(1)對(duì)于長(zhǎng)期停運(yùn)的油泵而言，在油泵啟動(dòng)前，運(yùn)行人員應(yīng)將出口門關(guān)閉，待油泵出口壓力穩(wěn)定后，逐步打開油泵出口門。防止油管道過(guò)長(zhǎng)并且內(nèi)部為空，油泵啟動(dòng)時(shí)，油泵出口長(zhǎng)時(shí)間壓力太低，造成平衡盤兩側(cè)建立不起平衡油壓，從而造成平衡盤磨損或軸承損壞。

(2)提高平衡盤與平衡座的加工精度，保證裝配質(zhì)量，保證平衡盤與平衡座之間的間隙b0大于平衡盤的端面跳動(dòng)量且小于泵要求的最大平衡間隙。

(3)在保證徑向通道不堵塞的情況下盡量減小平衡盤與平衡座之間的徑向間隙，最好為0.2～0.3 mm。

(4)平衡盤與平衡座表面硬度應(yīng)有特殊要求，材質(zhì)采用4Cr13或其他較硬質(zhì)，表面熱處理后硬度應(yīng)達(dá)到50 HRC。

(5)加強(qiáng)燃油泵進(jìn)口濾網(wǎng)清理，加快濾網(wǎng)更換頻率。同時(shí)，燃油采購(gòu)部門應(yīng)加強(qiáng)油質(zhì)管理，盡量減少油中雜質(zhì)。

［1］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:宇航出版社，1995.