某汽轮给水泵机组卸载盘平衡机理研究及应用

钱 勇，王培培

（东方汽轮机有限公司，四川德阳618000）

0 前言

某汽轮给水泵机组立式布置如图1所示，汽轮机和给水泵共用一根轴，采用两个水润滑轴承支撑，整个机组没有设置油系统，机组推力由卸载盘两侧腔室的压力差平衡。由于没有油系统，整个机组结构及系统简单可靠，采用卸载盘结构能有效缩短整机轴向长度。机组静止状态下转动部件重力由止推盘承担，机组启动运行时，低转速下机组总推力向下，止推盘与止推盘环之间水膜产生一定作用力防止摩擦副干摩擦，机组启动后，在轴向力（向上）作用下转子浮起，此时卸载盘与卸载盘环之间的间隙减小，作用在卸载盘上的力增大，机组轴向力达到动态平衡状态[1]。该型汽轮给水泵机组已有多台在市场投入运行。用户调研结果表明，该机组结构简单，运行维护方便、启动迅速、运行可靠，主要问题是出现过卸载盘磨损情况。因此研究卸载盘平衡机理及防磨损措施，提高卸载盘可靠性及使用寿命，对该型汽轮给水泵机组安全运行具有重大意义。

图1 机组布置示意图

1 机组轴向力平衡机理

机组采用立式布置，轴向力由叶轮推力F1、动叶片推力F2、泵轮推力F3、卸载盘推力F4及转子重力G合成。该汽轮给水泵机组采用双列复速级，为纯冲动式，叶轮上设置有平衡孔，叶轮推力、动叶片推力基本忽略不计。研究机组轴向力平衡时主要考虑泵轮推力、卸载盘推力及转子重力。

1.1 泵轮推力计算

泵轮推力由前盖板推力Fq、后盖板推力Fh及泵轮动反力Fd组成，泵轮总推力F3=Fh-Fq-Fd，各项推力计算见公式1~3[2]。当泵轮几何尺寸确定后，泵轮总推力只与介质密度ρ、泵轮旋转角速度ω、单级叶轮势扬程Hp、泵理论流量Qt、叶片进口稍前轴面速度Vm1、出口稍后的轴面速度Vm2有关，而这些参数均能用泵轮转速及泵轮几何尺寸表达，即泵轮推力与泵轮转速存在一定关系。根据汽轮给水泵机组设计参数及泵轮几何尺寸，得出泵轮推力与转速关系。

1.2 卸载盘推力计算

如图2所示，P1为末级泵轮后泵腔压力，P2为卸载盘与卸载盘环之间腔室压力，P3为卸载室压力，P1、P3一般是不变的。由于间隙b1、b2的存在而引起泄漏，使平衡盘两面产生压差，平衡盘在压差作用下形成平衡力。本文采用CFD软件分析了P2压力分布，计算模型选取卸载盘与卸载盘环之间腔室的二十分之一，计算模型如图3所示，计算得到的P2压力分布如图4所示，由卸载盘几何尺寸即可获得卸载盘上轴向力。基于该模型，通过改变卸载盘与卸载盘环之间轴向间隙b2，进行了多组对应的卸载盘推力计算，并得到轴向间隙与卸载盘推力关系曲线见图5.从图5可以看出，卸载盘推力与间隙b2负相关，当间隙b2＜0.2 mm后，卸载盘推力显著增大。

图2 平衡盘示意图

图3 计算模型

图4 压力分布示意图

图5 间隙b2与卸载盘推力关系曲线

1.3 机组总推力平衡

机组启动时，在低转速下轴向力主要由汽轮机推力、转子重力、泵轮推力组成，此时泵轮推力很小，不足以使转子向上浮起。当转速继续升高，泵轮推力增大，转子向上浮起，卸载盘与卸载盘环轴向间隙b2逐渐减小，卸载盘推力增大，直到额定工作状态，卸载盘达到动态平衡，间隙b2达到一个平衡值。根据机组设计参数，理论计算得出该汽轮给水泵机组在额定工作状态下卸载盘与卸载盘环间隙b2约为0.12 mm.

根据分析结果，卸载盘在运行中动静间隙b2非常微小，且卸载盘一直处于动态平衡过程中，在机组变工况时，轴向力变化较大，极易出现卸载盘与卸载盘环动静碰磨，如果卸载盘与卸载盘环接触面硬度不够，平面度、垂直度差就会导致卸载盘磨损。

2 卸载盘防磨损措施及应用

汽轮给水泵机组额定工作状态下，卸载盘与卸载盘环间隙非常小，而且一直处于动态平衡状态，对卸载盘的加工制造精度、热处理方法提出了很高要求[3]。根据设计制造经验，总结出卸载盘防磨损措施如下：选用耐磨不锈钢材料作为卸载盘、卸载盘环的材料；对卸载盘、卸载盘环端面进行氮化、焊接硬质合金或淬硬等工艺措施，提高端面表面硬度，增强其耐磨性；设计、制造中严格控制卸载盘、卸载盘环端面平面度及垂直度，尽量减少因制造偏差造成间隙b2不均匀。卸载盘实物如图6所示，采用的基体材料是优质不锈钢，端面堆焊了硬质司太立合金，其硬度HRC≥35（氮化、焊接硬质合金或淬硬等工艺措施均为了提高端面硬度，本文选取的措施为焊接硬质合金），堆焊后精磨端面控制其平面度与垂直度。长时间运行后解体检修机组，采用无损检验卸载盘端面无损伤，同时测量图2所示卸载盘厚度L1、卸载盘环厚度L2与运行前初始值相同，证明卸载盘在长时间运行前后状态无变化，采取的措施能有效预防卸载盘磨损，提高卸载盘使用寿命。

图6 卸载盘实物图（运行后）

3 结论

本文分析了某汽轮给水泵机组卸载盘动态平衡的过程，得到泵轮推力与转速对应曲线，采用CFD软件分析了卸载盘与卸载盘环之间压力分布，得到机组轴向推力与推力间隙曲线。建议卸载盘设计、制造中严格控制端面平面度及垂直度，尽量减少因制造偏差造成轴向间隙不均匀；选用耐磨不锈钢材料作为卸载盘本体材料，对卸载盘端面进行氮化、焊接硬质司太立合金或淬硬等工艺措施，提高端面硬度，增强其耐磨性。

[1]赵万勇，王 钊，杨登峰，等.多级泵平衡盘动态平衡的理论研究[J].流体机械，2012，40（9）:35-38.

[2]张保祥，多级给水泵轴向力平衡机构的设计与分析[D].保定:华北电力大学，2012.

[3]常殿琴.离心泵平衡系统技术分析[J].煤炭技术，2007，26（12）:29-30.