AT3004 液環(huán)式真空泵膨脹端軸承室設(shè)計(jì)優(yōu)化

牛永哲， 雷 鵬

（華能玉環(huán)電廠， 浙江 玉環(huán) 317604）

0 引言

液環(huán)式真空泵為電廠抽真空系統(tǒng)重要設(shè)備， 機(jī)組啟動(dòng)初期及正常運(yùn)行中，除去凝汽器中的非凝結(jié)氣體，以滿足汽輪機(jī)啟動(dòng)要求，并在機(jī)組運(yùn)行期間保持凝汽器真空[1]。佶締納士（NASH）AT3004 系列真空泵非驅(qū)動(dòng)端為定位軸承（死點(diǎn)），軸承室內(nèi)外端蓋將軸承固定住，而驅(qū)動(dòng)端（即靠近電機(jī)側(cè)，自由膨脹端）為浮動(dòng)軸承。 考慮到真空泵轉(zhuǎn)子及泵殼熱膨脹因素， 制造廠家在軸向設(shè)計(jì)上允許有一定活動(dòng)空間。該設(shè)計(jì)易導(dǎo)致真空泵長期運(yùn)行后，膨脹端軸承室磨損，轉(zhuǎn)子與殼體動(dòng)靜碰磨等重大安全問題。本文針對(duì)該問題對(duì)該系列真空泵膨脹端軸承室設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，消除了安全隱患。

1 問題描述及原因分析

華能玉環(huán)電廠4×1000MW 火電機(jī)組， 共裝機(jī)12 臺(tái)AT3004 系列液環(huán)式真空泵。 該真空泵采用TIMKEN 67388/67322D 雙列圓錐滾子軸承，與軸承室設(shè)計(jì)配合間隙0.15mm。 隨真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)， 軸承外圈與軸承室會(huì)產(chǎn)生相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致軸承室凹陷，轉(zhuǎn)子失去定位尺寸，偏離軸心運(yùn)轉(zhuǎn)并與泵殼碰磨。 2021 年11 月至今，利用兩次計(jì)劃檢修時(shí)機(jī)，對(duì)6 臺(tái)汽側(cè)真空泵軸承室解體檢查發(fā)現(xiàn)，其中4 臺(tái)真空泵膨脹端軸承室已嚴(yán)重磨損 （最大磨損深度達(dá)0.75mm）， 且轉(zhuǎn)子與殼體存在明顯的動(dòng)靜碰磨痕跡，見圖1、圖2。

圖1 膨脹端軸承室底部偏磨下沉

圖2 真空泵轉(zhuǎn)子與殼體碰磨

由圖1 可見，從電機(jī)向泵方向看，膨脹端軸承室磨損位置均位于左下方。 AT3004 系列液環(huán)式真空泵轉(zhuǎn)子為偏心設(shè)計(jì)，真空泵葉輪、殼體與水環(huán)形成腔體[2]。 殼體空間大的位置，水容積較殼體空間小側(cè)大很多。 由圖2 可見，右上位置殼體空間最大，左下位置殼體空間最小，真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間水環(huán)質(zhì)量右上大于左下。 水環(huán)經(jīng)離心作用甩至殼體，殼體內(nèi)壁通過水環(huán)最終反作用于轉(zhuǎn)子，使整個(gè)轉(zhuǎn)子受力方向在左下方位，故驅(qū)動(dòng)端軸承室左下方位磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子與殼體也在左下位置碰磨。軸承室磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)位置偏離軸心，與殼體動(dòng)靜碰磨，影響設(shè)備安全運(yùn)行。

該系列液環(huán)式真空泵軸承室磨損情況， 經(jīng)咨詢NASH制造廠家，廠家反饋“也已發(fā)現(xiàn)其它三家火電企業(yè)返修真空泵存在相同問題，該系列真空泵，因驅(qū)動(dòng)端軸承為膨脹端，對(duì)已運(yùn)行10 年以上泵組，軸承室為正常磨損”。 目前，制造廠家解決方式為重新制作并更換軸承室，但制造、更換成本高昂，且無法解決軸承室修復(fù)后，真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承室外圈與軸承室相對(duì)運(yùn)動(dòng)，真空長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，軸承室仍會(huì)被磨損問題。

2 真空泵膨脹端軸承室設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

經(jīng)對(duì)真空泵軸承室及軸承結(jié)構(gòu)分析，導(dǎo)致AT3004 系列真空泵膨脹端軸承室內(nèi)圓磨損根本原因?yàn)?“軸承室與軸承外圈配合間隙大”和“軸承外圈徑向旋轉(zhuǎn)”兩方面。針對(duì)兩方面問題，對(duì)膨脹端軸承室設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，制作了軸承室徑向定位防轉(zhuǎn)裝置。 該裝置主要包括 “軸承室內(nèi)鑲套”、“徑向防轉(zhuǎn)銷”兩部件，并與原軸承外環(huán)或經(jīng)改造的軸承外環(huán)配合使用。

2.1 優(yōu)化方案

該優(yōu)化方案，不必重新制作軸承室，可以低成本實(shí)現(xiàn)真空泵原有功能，并解決存在的問題。圖3 為玉環(huán)電廠所用優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，實(shí)施過程如下：

圖3 防轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

（1）對(duì)已磨損的軸承室內(nèi)徑鏜孔，并精車至內(nèi)徑207.00mm，制作軸承室內(nèi)鑲套， 見圖4， 內(nèi)鑲套內(nèi)徑196.90mm， 外徑207.07mm（即安裝后內(nèi)鑲套與軸承室緊力0.07mm），將內(nèi)鑲套冷套入精車后的軸承室 （精車后軸承室內(nèi)徑與內(nèi)鑲套外徑尺寸不做具體要求， 但須重點(diǎn)保證兩部件配合緊力在0.06～0.08mm， 內(nèi)鑲套與軸承外圈配合間隙減小為0.04～0.05mm）。

圖4 軸承室內(nèi)鑲套

（2）對(duì)防轉(zhuǎn)銷孔攻螺紋孔。

（3）按圖紙尺寸制作徑向防轉(zhuǎn)銷，防轉(zhuǎn)銷頭部長度7mm，截面直徑Φ4mm（備注：軸承外環(huán)外徑196.85mm，外環(huán)中間注油槽寬度12mm、槽深4mm，中間油孔內(nèi)徑Φ6mm、孔深9mm）。

（4）將軸承裝入軸承室，外圈居中布置。

（5）將徑向防轉(zhuǎn)銷全部旋入銷孔，并回旋半圈，以此保證軸承外環(huán)不被防轉(zhuǎn)銷頂死， 同時(shí)保證防轉(zhuǎn)銷頭部進(jìn)入軸承外圈定位孔深度2mm。

（6）防轉(zhuǎn)銷與銷孔間隙為2mm，真空泵投運(yùn)后，軸承外圈銷孔即可立即被防轉(zhuǎn)銷頂住，確保軸承外圈無法旋轉(zhuǎn)。

目前， 華能玉環(huán)電廠已對(duì)四臺(tái)真空泵軸承室按以上方案優(yōu)化，效果顯著。 該設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，可在驅(qū)動(dòng)端軸承軸向正常膨脹前提下，不產(chǎn)生徑向旋轉(zhuǎn)，根治了原設(shè)計(jì)真空泵膨脹端軸承外圈隨泵旋轉(zhuǎn)，磨損軸承室，最終導(dǎo)致真空泵轉(zhuǎn)子與殼體碰磨等重大安全隱患。

2.2 可替代方案

上述設(shè)計(jì)優(yōu)化方案并非唯一，也可采用下述5 種可替代優(yōu)化方案。 無論采取何種優(yōu)化方案，最終目的都需在靠電機(jī)側(cè)軸承軸向膨脹不受影響前提下，解決軸承外圈徑向旋轉(zhuǎn)問題。 優(yōu)化方案見圖5，五種可替代優(yōu)化方案如下：

圖5 可替代方案

（1）將軸承外圈油孔擴(kuò)為Φ11mm：可將其擴(kuò)為通孔Φ11×9mm（可替代方案1），也可擴(kuò)為臺(tái)階孔Φ11×5mm（可替代方案2），徑向防轉(zhuǎn)銷頭部截面直徑6～8mm 均可。

（2）在軸承外圈重新加工Φ11×5mm 非通孔（可替代方案3），徑向防轉(zhuǎn)銷截面6～8mm；在徑向防轉(zhuǎn)銷安裝前，應(yīng)在非通孔內(nèi)提前注潤滑脂。

（3）加工T 形插鍵，并在T 形插鍵頂部銑槽（長度12mm-寬度7mm-深2mm）（可替代方案4）， 徑向防轉(zhuǎn)銷頭部截面6mm，長度5mm，防轉(zhuǎn)銷可在T 形插鍵槽內(nèi)滑動(dòng)，槽內(nèi)提前注潤滑脂。

（4）軸承外圈直接銑槽（長度12mm-寬度7mm-深2mm）（可替代方案5），徑向防轉(zhuǎn)銷截面6mm，即防轉(zhuǎn)銷在方槽內(nèi)滑動(dòng)，槽內(nèi)提前注潤滑脂。

2.3 優(yōu)化方案使用效果

對(duì)AT3004 系列汽側(cè)真空泵膨脹端軸承室設(shè)計(jì)優(yōu)化后，因內(nèi)鑲套內(nèi)徑196.90mm，與軸承外圈配合間隙從設(shè)計(jì)值0.15mm 縮小為優(yōu)化值0.05mm，配合間隙降低可提高轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)精度，同時(shí)降低軸承振動(dòng)。 同時(shí)，制作徑向防轉(zhuǎn)銷并旋入銷孔，使防轉(zhuǎn)銷頭部進(jìn)入軸承外環(huán)導(dǎo)向孔或?qū)虿郏^部與導(dǎo)向孔徑向間隙不低于2mm，因此可確保真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間，膨脹端軸承軸向有充分的膨脹間隙；對(duì)徑向，即使軸承外圈被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)， 也會(huì)在剛開始旋轉(zhuǎn)瞬間， 抵至徑向防轉(zhuǎn)銷頭部，抑制其旋轉(zhuǎn)。 通過該系列真空泵膨脹端軸承室設(shè)計(jì)上的兩項(xiàng)優(yōu)化，解決了原設(shè)計(jì)真空泵存在的膨脹端軸承外圈與軸承室相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸承室磨損問題。

3 結(jié)束語

AT3004 系列液環(huán)式真空泵膨脹端軸承室配合間隙大及軸承外圈徑向旋轉(zhuǎn)，是造成軸承室磨損，真空泵動(dòng)靜碰磨重要原因。對(duì)膨脹端軸承室進(jìn)行優(yōu)化，制作軸承室內(nèi)鑲套減少配合間隙， 設(shè)計(jì)制作徑向防轉(zhuǎn)銷實(shí)現(xiàn)軸承外圈在旋轉(zhuǎn)方向定位，解決了膨脹端軸承外圈隨泵旋轉(zhuǎn)，軸承室磨損問題， 消除了真空泵轉(zhuǎn)子因軸承室磨損而失去定位尺寸，與殼體碰磨等重大安全隱患。 該AT3004 系列液環(huán)式真空泵膨脹端軸承室設(shè)計(jì)優(yōu)化方案， 已在華能玉環(huán)電廠四臺(tái)真空泵實(shí)施，成本低廉但效果顯著，對(duì)同類型液環(huán)式真空泵的設(shè)計(jì)提供借鑒及參考作用。