錢 勇，王培培

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618000）

0 前言

某汽輪給水泵機組立式布置如圖1所示，汽輪機和給水泵共用一根軸，采用兩個水潤滑軸承支撐，整個機組沒有設(shè)置油系統(tǒng)，機組推力由卸載盤兩側(cè)腔室的壓力差平衡。由于沒有油系統(tǒng)，整個機組結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)簡單可靠，采用卸載盤結(jié)構(gòu)能有效縮短整機軸向長度。機組靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)動部件重力由止推盤承擔(dān)，機組啟動運行時，低轉(zhuǎn)速下機組總推力向下，止推盤與止推盤環(huán)之間水膜產(chǎn)生一定作用力防止摩擦副干摩擦，機組啟動后，在軸向力（向上）作用下轉(zhuǎn)子浮起，此時卸載盤與卸載盤環(huán)之間的間隙減小，作用在卸載盤上的力增大，機組軸向力達到動態(tài)平衡狀態(tài)[1]。該型汽輪給水泵機組已有多臺在市場投入運行。用戶調(diào)研結(jié)果表明，該機組結(jié)構(gòu)簡單，運行維護方便、啟動迅速、運行可靠，主要問題是出現(xiàn)過卸載盤磨損情況。因此研究卸載盤平衡機理及防磨損措施，提高卸載盤可靠性及使用壽命，對該型汽輪給水泵機組安全運行具有重大意義。

圖1 機組布置示意圖

1 機組軸向力平衡機理

機組采用立式布置，軸向力由葉輪推力F1、動葉片推力F2、泵輪推力F3、卸載盤推力F4及轉(zhuǎn)子重力G合成。該汽輪給水泵機組采用雙列復(fù)速級，為純沖動式，葉輪上設(shè)置有平衡孔，葉輪推力、動葉片推力基本忽略不計。研究機組軸向力平衡時主要考慮泵輪推力、卸載盤推力及轉(zhuǎn)子重力。

1.1 泵輪推力計算

泵輪推力由前蓋板推力Fq、后蓋板推力Fh及泵輪動反力Fd組成，泵輪總推力F3=Fh-Fq-Fd，各項推力計算見公式1~3[2]。當(dāng)泵輪幾何尺寸確定后，泵輪總推力只與介質(zhì)密度ρ、泵輪旋轉(zhuǎn)角速度ω、單級葉輪勢揚程Hp、泵理論流量Qt、葉片進口稍前軸面速度Vm1、出口稍后的軸面速度Vm2有關(guān)，而這些參數(shù)均能用泵輪轉(zhuǎn)速及泵輪幾何尺寸表達，即泵輪推力與泵輪轉(zhuǎn)速存在一定關(guān)系。根據(jù)汽輪給水泵機組設(shè)計參數(shù)及泵輪幾何尺寸，得出泵輪推力與轉(zhuǎn)速關(guān)系。

1.2 卸載盤推力計算

如圖2所示，P1為末級泵輪后泵腔壓力，P2為卸載盤與卸載盤環(huán)之間腔室壓力，P3為卸載室壓力，P1、P3一般是不變的。由于間隙b1、b2的存在而引起泄漏，使平衡盤兩面產(chǎn)生壓差，平衡盤在壓差作用下形成平衡力。本文采用CFD軟件分析了P2壓力分布，計算模型選取卸載盤與卸載盤環(huán)之間腔室的二十分之一，計算模型如圖3所示，計算得到的P2壓力分布如圖4所示，由卸載盤幾何尺寸即可獲得卸載盤上軸向力?；谠撃Ｐ?，通過改變卸載盤與卸載盤環(huán)之間軸向間隙b2，進行了多組對應(yīng)的卸載盤推力計算，并得到軸向間隙與卸載盤推力關(guān)系曲線見圖5.從圖5可以看出，卸載盤推力與間隙b2負相關(guān)，當(dāng)間隙b2＜0.2 mm后，卸載盤推力顯著增大。

圖2 平衡盤示意圖

圖3 計算模型

圖4 壓力分布示意圖

圖5 間隙b2與卸載盤推力關(guān)系曲線

1.3 機組總推力平衡

機組啟動時，在低轉(zhuǎn)速下軸向力主要由汽輪機推力、轉(zhuǎn)子重力、泵輪推力組成，此時泵輪推力很小，不足以使轉(zhuǎn)子向上浮起。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，泵輪推力增大，轉(zhuǎn)子向上浮起，卸載盤與卸載盤環(huán)軸向間隙b2逐漸減小，卸載盤推力增大，直到額定工作狀態(tài)，卸載盤達到動態(tài)平衡，間隙b2達到一個平衡值。根據(jù)機組設(shè)計參數(shù)，理論計算得出該汽輪給水泵機組在額定工作狀態(tài)下卸載盤與卸載盤環(huán)間隙b2約為0.12 mm.

根據(jù)分析結(jié)果，卸載盤在運行中動靜間隙b2非常微小，且卸載盤一直處于動態(tài)平衡過程中，在機組變工況時，軸向力變化較大，極易出現(xiàn)卸載盤與卸載盤環(huán)動靜碰磨，如果卸載盤與卸載盤環(huán)接觸面硬度不夠，平面度、垂直度差就會導(dǎo)致卸載盤磨損。

2 卸載盤防磨損措施及應(yīng)用

汽輪給水泵機組額定工作狀態(tài)下，卸載盤與卸載盤環(huán)間隙非常小，而且一直處于動態(tài)平衡狀態(tài)，對卸載盤的加工制造精度、熱處理方法提出了很高要求[3]。根據(jù)設(shè)計制造經(jīng)驗，總結(jié)出卸載盤防磨損措施如下：選用耐磨不銹鋼材料作為卸載盤、卸載盤環(huán)的材料；對卸載盤、卸載盤環(huán)端面進行氮化、焊接硬質(zhì)合金或淬硬等工藝措施，提高端面表面硬度，增強其耐磨性；設(shè)計、制造中嚴(yán)格控制卸載盤、卸載盤環(huán)端面平面度及垂直度，盡量減少因制造偏差造成間隙b2不均勻。卸載盤實物如圖6所示，采用的基體材料是優(yōu)質(zhì)不銹鋼，端面堆焊了硬質(zhì)司太立合金，其硬度HRC≥35（氮化、焊接硬質(zhì)合金或淬硬等工藝措施均為了提高端面硬度，本文選取的措施為焊接硬質(zhì)合金），堆焊后精磨端面控制其平面度與垂直度。長時間運行后解體檢修機組，采用無損檢驗卸載盤端面無損傷，同時測量圖2所示卸載盤厚度L1、卸載盤環(huán)厚度L2與運行前初始值相同，證明卸載盤在長時間運行前后狀態(tài)無變化，采取的措施能有效預(yù)防卸載盤磨損，提高卸載盤使用壽命。

圖6 卸載盤實物圖（運行后）

3 結(jié)論

本文分析了某汽輪給水泵機組卸載盤動態(tài)平衡的過程，得到泵輪推力與轉(zhuǎn)速對應(yīng)曲線，采用CFD軟件分析了卸載盤與卸載盤環(huán)之間壓力分布，得到機組軸向推力與推力間隙曲線。建議卸載盤設(shè)計、制造中嚴(yán)格控制端面平面度及垂直度，盡量減少因制造偏差造成軸向間隙不均勻；選用耐磨不銹鋼材料作為卸載盤本體材料，對卸載盤端面進行氮化、焊接硬質(zhì)司太立合金或淬硬等工藝措施，提高端面硬度，增強其耐磨性。

[1]趙萬勇，王 釗，楊登峰，等.多級泵平衡盤動態(tài)平衡的理論研究[J].流體機械，2012，40（9）:35-38.

[2]張保祥，多級給水泵軸向力平衡機構(gòu)的設(shè)計與分析[D].保定:華北電力大學(xué)，2012.

[3]常殿琴.離心泵平衡系統(tǒng)技術(shù)分析[J].煤炭技術(shù)，2007，26（12）:29-30.