大型高速動平衡試驗裝置真空供油系統設計

陳波，曾鵬

（1.天臺縣基礎設施投資有限公司，浙江 臺州 317200；2.中國聯合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

高速動平衡試驗裝置的潤滑油系統包括大氣潤滑油系統和真空潤滑油及頂軸油系統[1]。大氣潤滑油系統為裝置的驅動系統設備（大氣環境）提供潤滑油，真空潤滑油及頂軸油系統主要為裝置真空艙內的動平衡機（擺架）和試驗轉子之間的滑動軸承提供潤滑油，以及為大型試驗轉子啟動時提供高壓頂軸油。由于該系統整體運行在較高的真空環境（絕壓不高于133 Pa）下，與一般大氣環境潤滑油系統相比，其系統設計、設備選型和工藝布置上均有較大差異。

2 真空潤滑油及頂軸油系統組成

高速動平衡試驗裝置的真空潤滑油及頂軸油系統一般由真空低位油箱、真空潤滑油站、真空頂軸油站、真空高位油箱及連接管道系統組成，圖1 為真空潤滑油及頂軸油系統原理圖。

圖1 真空潤滑油及頂軸油系統原理圖

由于系統運行時真空低位油箱處于較高真空狀態，真空低位油箱結構形式和耐壓計算應按真空容器進行設計，其有效容積一般不小于裝置最大動平衡機（2 只擺架）15 min 的最大供油量。

真空低位油箱上應設置檢修人孔、出油口、回油口、高位油箱溢流回油口、抽氣（真空）口等接口，其中出油口數量及通徑應與真空油站上油泵數量及吸入口通徑相同，即一個出油口對應一個油泵，出油口宜均勻設置于油箱下部與油箱縱向豎直剖面成30°角處，以利于減少油箱出油口到油泵吸入口之間的管道阻力；回油口通徑一般為出油口通徑的2 倍，宜設計成水平朝向且中心高度應盡量降低，以利于減小真空艙回油口與低位油箱回油口之間的管道阻力，且增大二者之間的位差。真空低位油箱上應設置電加熱器和液位計，電加熱器的功率應能滿足在2 h 內能將油溫度提升15～20 ℃，液位計應具有就地顯示和遠傳功能。真空低位油箱一般采用碳鋼材質，各接口宜采用真空法蘭。

真空潤滑油站系統如圖1 所示，宜設計成2 用1 備（從油泵到過濾器部分），共3 組模式，每組供油量應能滿足單只最大擺架的最大供油要求。一般設計選擇油泵時，油泵的額定出口壓力宜為500～600 kPa，額定供油量宜為單只擺架最大供油量的120%～130%，以確保使用不同黏度潤滑油時的實際供油量，能滿足最大用油需求并分流一部分潤滑油去高位油箱。另外，由于系統運行時低位油箱處于高真空狀態，為避免油泵吸油不暢或發生氣蝕，造成油泵實際供油量不足或壽命減短，在選擇油泵時要求選擇轉數較低（一般不大于1 500 r/min）、泵汽蝕余量（NPSHr）盡量小的螺桿油泵，一般要求NPSHr 不大于2 m，這樣的選擇有利于避免油站實際供油量不足的風險，減小油站地坑的深度，節省投資。

真空潤滑油站的過濾器一般應選擇雙聯過濾器，能夠實現運行時的切換，其公稱流量應不小于油泵額定流量的2 倍，過濾精度一般宜選為20～40 μm。冷油器宜選擇為立式管殼式油冷卻器且設計成1 用1 備模式，以利于減少占地面積。真空頂軸油站的主要作用是通過擺架上的軸承將大型試驗轉子在啟動或低速運行時頂起，避免轉子軸頸與軸瓦之間發生干摩擦。頂軸油站運行時從真空潤滑油供油管引油，其供油壓力和供油量應根據擺架要求，每只擺架宜單獨配置管路和油泵，油泵根據需要可選擇高壓齒輪泵或柱塞油泵。真空潤滑油站及頂軸油站管道宜采用不銹鋼材質。

與真空低位油箱一樣，真空高位油箱也要按真空容器進行設計，其有效容積應不小于裝置最大動平衡機（2 只擺架）3 min 的最大供油量。一般設計時，真空高位油箱有效容積可定為低位油箱有效容積的1/3 左右。真空高位油箱上應設置檢修人孔、溢流管及接口、進/出油口、抽氣口等接口。由于試驗轉子的規格范圍比較大，所需潤滑油量變化也比較大，高位油箱溢流管及回油管路作為真空供油系統最主要的調節支路，應確保溢流回油順暢。一般設計時，高位油箱上溢流管管徑及喇叭口口徑宜按單臺油泵供油量作為最大溢流量來進行設計。這種設計在正常運行時，高位油箱內的油始終流動且平衡狀態，能夠確保內部油溫處于合適的溫度，一般情況下，高位油箱內可不設電加熱器。真空高位油箱上應設置液位計，并具有就地顯示和遠傳功能。真空高位油箱一般采用碳鋼材質，各接口宜采用真空法蘭。

真空潤滑油總的供油量通過總供油管上的電動調節閥F0來進行控制，多余油量流向高位油箱，經溢流管返回低位油箱。不同轉子試驗時，根據轉子軸承用油量需求啟動1～2 臺常用泵供油，常用泵故障時啟動備用泵。真空潤滑油及頂軸油系統管道及閥門等宜采用不銹鋼材質。

3 真空潤滑油及頂軸油系統的工藝布置

真空低位油箱應盡量布置在靠近真空艙后墻板（真空潤滑油及頂軸油等進、出真空艙之處）標高約為-4.50～-3.50 m的地坑內，以利于減少主回油管長度，確保回油順暢。一般情況下，真空艙回油口與真空低位油箱回油口之間的豎向位差宜不小于0.5 m（傾斜度不小于0.03）。真空油站應布置在緊靠真空低位油箱且標高更低的地坑內，真空低位油箱出油口與真空油站油泵進油口之間的豎向位差應滿足所選油泵的NPSHr 要求，一般情況下，應不小于2.0 m。真空高位油箱宜就近布置在標高不小于10.0 m 的建構筑物頂部或支撐結構上。頂軸油站由于體積比較小且是有壓供油，可布置于靠近后墻板之處。

真空潤滑油及頂軸油系統的管道分為真空艙內管道和真空艙外管道。真空艙外管道按一般管道設計和安裝規范進行布置，值得注意的是，由于真空艙內的主回油管是無壓回油（事實上，由于抽真空管長度等原因，真空油箱內的真空度略低于真空艙內真空度，不利于回油），為確保回油順暢，真空艙回油口到真空低位油箱進油口之間的管道應盡量短且少折彎，傾斜度宜不小于0.03，最大流速應不大于0.5 m/s。真空艙內各管線應布置于真空艙筒體底部沿縱向布置，由于空間比較小，應先確定回油管位置，回油管傾斜度應根據內部尺寸具體確定，一般宜不小于0.01，其他供油管、頂軸油管等管道緊臨回油管布置。為便于不同長度轉子試驗時就近接管，真空艙內潤滑油供油、頂軸油供油和回油接口均應設置多個，一般各類接口設置間距宜不大于1.5 m，各接口與擺架上對應接口采用快速接頭連接。另外，為便于沖洗真空油路和冬天時進行暖管，真空艙內潤滑油供油管與回油管在最遠端需設置短接（帶閥門）連通管。

4 真空潤滑油系統設計和制造時的關鍵點

真空潤滑油系統運行時，真空低位油箱處于高真空狀態即油箱內油液面上部只有非常低的油汽壓（約133 Pa），這使得油站油泵“吸油”比較困難。因此，該系統設計和制造的關鍵點就是確保油泵吸油順暢，即油泵吸入口前的靜壓（油液位差）在運行期間必須始終大于油泵汽蝕余量（NPSHr），否則就會造成油泵供油不足或油泵壽命減短。例如，東方汽輪機有限公司12 t 高速動平衡試驗裝置真空潤滑油系統設計時，設備和管道布置按油泵NPSHr=2.0 m 進行設計，油泵選型為螺桿油泵，轉速1450 r/min，額定供油量163 L/min，NPSHr=2.0 m，但油站制造廠家忽視了NPSHr 的問題，將油泵改選為離心油泵，轉速2 900 r/min，額定供油量170 L/min，NPSHr=7.0 m，交貨后現場聯機調試時，真空環境的實際供油量只能達到85 L/min，且油泵工作噪聲異常，最后造成經濟和工期損失。

另外，當真空高、低位油箱罐體采用碳鋼制作時，其內表面不宜涂覆油漆，以免系統工作時因油箱內部處于高真空狀態出現大面積漆膜脫落，堵塞出油口、管道或油泵等造成供油困難而發生生產事故。一般可采取在油箱制作檢驗完畢且內表面打磨光滑并清理干凈后，對其所有內表面涂刷潤滑油或油脂進行防銹蝕防護。存放期較長時，可定期用潤滑油涂刷其內表面進行防護。系統投入運行后，真空高、低位油箱工作時其內表面各處將處于油或油霧汽的“浸潤”狀態，從而實現內表面自防護。

5 結語

大型渦輪轉子在真空艙內進行高速動平衡時，轉速高、動能大且在高真空環境內運轉，其停機是一個“漫長”過程，一般驅動系統帶制動功能時，停機時間需要35 min 以上，而不帶制動功能的高速動平衡裝置，停機時間則達到120 min 或以上。因此，真空潤滑油及頂軸油系統的可靠性和持續供油能力至關重要。一般設計時，真空滑油油泵、頂軸油泵均需配置備用電源（如柴油發電機組），且在常用電力中斷2 min 內能完成備用電源自動切換，以實現持續供油，確保生產安全。