某汽輪給水泵機組卸載盤平衡機理研究及應用

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，整個機組沒有設置油系統，機組推力由卸載盤兩側腔室的壓力差平衡。由于沒有油系統，整個機組結構及系統簡單可靠，采用卸載盤結構能有效縮短整機軸向長度。機組靜止狀態下轉動部件重力由止推盤承擔，機組啟動運行時，低轉速下機組總推力向下，止推盤與止推盤環之間水膜產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）作用下轉子浮起，此時卸載盤與卸載盤環之間的間隙減小，作用在卸載盤上的力增大，機組軸向力達到動態平衡狀態[1]。該型汽輪給水泵機組已有多臺在市場投入運行。用戶調研結果表明，該機組結構簡單，運行維護方便、啟動迅速、運行可靠，主要問題是出現過卸載盤磨損情況。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及轉子重力G合成。該汽輪給水泵機組采用雙列復速級，為純沖動式，葉輪上設置有平衡孔，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]。當泵輪幾何尺寸確定后，泵輪總推力只與介質密度ρ、泵輪旋轉角速度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，而這些參數均能用泵輪轉速及泵輪幾何尺寸表達，即泵輪推力與泵輪轉速存在一定關系。根據汽輪給水泵機組設計參數及泵輪幾何尺寸，得出泵輪推力與轉速關系。

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。基于該模型，通過改變卸載盤與卸載盤環之間軸向間隙b2，進行了多組對應的卸載盤推力計算，并得到軸向間隙與卸載盤推力關系曲線見圖5.從圖5可以看出，卸載盤推力與間隙b2負相關，當間隙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與卸載盤推力關系曲線

1.3 機組總推力平衡

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

根據分析結果，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平衡過程中，在機組變工況時，軸向力變化較大，極易出現卸載盤與卸載盤環動靜碰磨，如果卸載盤與卸載盤環接觸面硬度不夠，平面度、垂直度差就會導致卸載盤磨損。

2 卸載盤防磨損措施及應用

汽輪給水泵機組額定工作狀態下，卸載盤與卸載盤環間隙非常小，而且一直處于動態平衡狀態，對卸載盤的加工制造精度、熱處理方法提出了很高要求[3]。根據設計制造經驗，總結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、卸載盤環的材料；對卸載盤、卸載盤環端面進行氮化、焊接硬質合金或淬硬等工藝措施，提高端面表面硬度，增強其耐磨性；設計、制造中嚴格控制卸載盤、卸載盤環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質不銹鋼，端面堆焊了硬質司太立合金，其硬度HRC≥35（氮化、焊接硬質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無變化，采取的措施能有效預防卸載盤磨損，提高卸載盤使用壽命。

圖6 卸載盤實物圖（運行后）

3 結論

本文分析了某汽輪給水泵機組卸載盤動態平衡的過程，得到泵輪推力與轉速對應曲線，采用CFD軟件分析了卸載盤與卸載盤環之間壓力分布，得到機組軸向推力與推力間隙曲線。建議卸載盤設計、制造中嚴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的設計與分析[D].保定:華北電力大學，2012.

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