给水泵的轴向力及其平衡

【摘要】　阐述了给水泵轴向力的形成和计算方法，介绍了轴向力的平衡原理，并针对双鸭山发电厂多台给水泵运行时存在的问题进行分析，找出了确解决问题的方法。

【关键词】　给水泵；轴向力；平衡中图分类号：TK414.211　　　文献标识码：A文章编号：1002—1663(2001)03-0142-04AxiaI Force on Water SUppIy Pamp And ItS BaIanceZHANG Zhi-kunHeiIongjiang Electric Power Science Research Institute，Harbinl50030，China Abstract：Deseribes the formation of the axial force on a water suppIy pump and how to caIculate it，and the theory behind the compensation of axiaIforce，analyses the problems experienced with the several water supply pumps at shuangyashan Power station，and works out correct soIutions to the probIlems． Key words：water suppIy pump；axiaI force；baIance0　

前言:多级离心式给水泵的叶轮采用同一方向排列，将产生很大的轴向推力。轴向推力的平衡，对给水泵安全可靠运行起着重要的作用。在双鸭山发电厂3号、4号机组HЭ—380—200——3型电动给水泵的运行中，发现3号机组的3台电动给水泵平衡室与人口压差0.7MPa，轴向位移大；而4号机组的3台给水泵运行一段时间后，轴向位移增大，振动增大，威胁给水泵的安全运行。

1　轴向力及平衡装置的平衡原理作用于给水泵转子上的轴向力，由下列各轴向分力组成：a.叶轮前后盖板不对称产生的轴向力，此力指向叶轮的吸入口方向，用A4，表示b.动反力，由给水泵出入口流体流速变化引起的动反力，用A₂表示。给水泵轴向推力采用平衡装置平衡。平衡装置一般包括平衡盘和平衡鼓。平衡盘和平衡鼓多用于节段式多级泵，装在末级叶轮后随转子一起旋转。平衡装置中有两个间隙，一个是由轴套外圈或平衡鼓形成的径向间隙b₁，另一个是平衡盘内端面形成的轴向间隙B₂。平衡盘后面的平衡室与泵吸入口联通。图1是平衡盘的工作原理示意图。径向间隙前的压力是末级叶轮后泵腔的压力P₃通过径向间隙b₁降为P₄，又通过轴向间隙b₂降为P₅₀平衡盘后面的压力为b₆₀平衡盘前面的压力P₄大于平衡盘后面的压力P₅，其压差在平衡盘上产生平衡力FP，用以平衡轴向力A。平衡盘和平衡鼓不同，平衡盘可自动平衡轴向力是因为平衡盘的两个间隙相辅相成的结果。平衡是靠泄漏产生的压差工作的，没有泄漏，也就没有平衡力。平衡装置总压差AP等于径向间隙压差AP₁，和轴向间隙压差AP₂之和，即△P₁=P₃－P₃△P₂=P₄－P₆△P=P₁+P₂=△P₃－P₆ （1）平衡装置前后的压力P3、P₆一般是不变的，即△P不变。假设转子上的轴向力A大于平衡盘的平衡力9，转子向左移动，轴向间隙b₂减小，该间隙的阻力增加，同时平衡装置的泄漏量减小。因此，流经径向间隙b₂，的流体速度减小，该间隙中的损失减小，即△P₂减小，平衡盘前面的压力户：增加，△P₂增加。平衡力F增加，待增加到等于轴向力A时，达到平衡。同样道理，当轴向力A小于平衡力9时，转子向右移动，达到新的平衡。因此，平衡盘的工作过程是处于运动平衡的过程。在泵运行过程中，过大的轴向力是不允许的，否则，会使平衡盘研磨，转子发生振动，失去稳定性。如果单独使用平衡盘来平衡给水泵的轴向力，就涉及到平衡盘的灵敏度的概念，用平衡盘压差系数K表示：Ｋ＝（△P₂／△P） （2）平衡盘压差系数K值越小，平衡盘的灵敏度越高。假设△P₁很小(无径向间隙或节流作用很小)，当平衡盘左右移动时，其前后的压力几乎不变，则灵敏度很低。反之，当△P₁很大(径向间隙的节流作用很强)，平衡盘移动时，泄漏量变化，引起△P，的变化很大。因△(△)P=△(△P₂)+△(△P₂)不变，则△P₂：的变化也就很大，即平衡盘的灵敏度很高。经动态计算得知，平衡盘压差系数K值越小，平衡能力越强。但是，平衡力还与平衡盘的面积有关，就单独使用平衡盘来平衡轴向推力的给水泵而言，K值通常取0.3—0.5。

2　轴向力的计算2.1轴向力A1，设入口压力为0，结构尺寸如图1所示。

式中，A₁——轴向力，N；H_p——单级叶轮势扬程，m；R_mi——叶轮密封环半径，m；R_h——叶轮进口轮毂半径，m；ρ——液体质量密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²；u₂——叶轮出口直径处圆周速度，m/s。公式(3)是假设泵腔内没有径向流体的情况下推导出来的，而实际上泄漏是不可避免的。实际的轴向力要比按公式(3)计算的数值大。2.2动反力A₂结构尺寸如图1所示，动反力A₂的计算按下式进行：A₂=Q_tρ(υ_mo-υ′_m2cosλ₂) (4)式中，A₂——动反力，N；Q_t——流经叶轮的流量，m³/s；υ_mo——液体进入叶轮叶片前的轴面速度，m/s；υ′_m2——液体流出叶轮后的轴面速度，m/s；λ₂——轴面速度υ′_m2碰与叶轮轴线间的夹角。当λ2=90°时，式(4)可改为如下公式进行计算：A=@@@

（5）

式中，Q——给水泵流量，m³/s；η_v——容积效率，％；R₁——叶轮进口半径，m；R_h——叶轮进口轮毂半径，m。2.3总的轴向力动反力A ₂与轴向力A₁的方向相反，因此给水泵总的轴向力为：A=∑(A₁—A₂) (6)

3　平衡装置的水力计算图2是平衡鼓(盘)和双向止推轴承的平衡装置示意图。@@@

图2 平衡鼓(盘)和双向止推轴承的平衡装置示意图

3.1平衡机构的前后压差△P末级叶轮出口处的液体压力,P₂：@@@ 式中，P_o——第一级叶轮进口压力，Pa；H₁——单级叶轮扬程，m；i——泵的级数；H_P——单级叶轮势扬程，m；H_t——单级叶轮理想扬程，m；η_h——泵水利效率，％。末级叶轮后泵腔中径向间隙6，处的液体压P₃：@@@

(10)

式中，u_d——平衡鼓直径处的圆周速度，m/s。平衡盘后轮毂处的压力P₆：@@@ 式中，P₅——平衡乏进口处的压力，Pa；u_w——平衡盘外直径处的圆周速度，m/s；v₅——平衡管中的液体速度，m/s；ξ₅——平衡管的损失系数。由式(11)、式(12)得：@@@

(13)

平衡机构的前后压差△P：@@@

(14)

由于1÷2ξ₅pu²₅数值不大，可忽略不计，整理式(14)得，

3.2平衡鼓的平衡F_d平衡鼓的平衡F_d：@@@

(16)

式中，D_d——平衡鼓直径，m；D_b——叶轮出口轮毂直径，m。3.3平衡盘压差系数K平衡盘压差系数K：@@@ 式中，L₁、L₂，——径向间隙b₁和轴向间隙b₂长度，D_nD_w——平衡盘内外直径，m；R_d——平衡鼓半径，m；۸——沿程阻力系数，۸=0.04；α——圆角系数，α=0.5；u₂——--叶轮出口直径圆周速度，m/s。3.3平衡装置泄漏量q平衡装置泄漏量q：@@@

(20)

4　给水泵轴向位移增大的原因分析给水泵的轴向力是靠平衡装置来平衡的。轴向位移增大，说明平衡装置没有起到平衡作用。平衡装置失去作用有3种可能性：a.P₄失压；b.P₆升压；c.给水泵入口汽化。4.1径向间隙节流后的压力P₄失压平衡盘的工作原理是用平衡盘两侧的压差产生的力F平衡叶轮轴向推力A_o由于A随运行工况的改变而改变，平衡力F也就必须随着相应改变。径向间隙b₁减小或轴向间隙b₂增加，均会造成平衡盘的灵敏度下降，使轴向位移增大。要保证径向间隙b₁和轴向间隙b₂首先安装要满足要求，通常b₁=0.2～0.35mm；b₂=0.1～0.25mm；其次要保证水质，防止径向间隙b₁和轴向间隙b₂堵塞。4.2平衡室的压力P₆升压平衡室通过节流孔与入口相连，一般情况下压力变化不会很大，但节流孔直径的大小，直接影响平衡室压力的大小。平衡室压力增大，使平衡盘两侧压差减小，无法与轴向力平衡。4.3给水泵入口汽化给水泵入口汽化也是造成轴向力过大的原因。给水泵入口汽化，泵入口压力低，出口压力在瞬间不会发生很大变化，从式(16)看出，轴向力增大，因此向入口侧轴向位移增大。造成给水泵人口汽化的因素很多，但主要有以下几点：a.人口滤网堵塞；b.在再循环流量下，平衡盘泄水通过很小的间隙降压，就有可能导致部分汽化；当直接引入给水泵吸入管时，又会使给水泵入口汽化；c.给水泵的允许吸上真空高度不足，在流量和压力波动时，也会造成给水泵入口汽化。

5　平衡盘的改进方法仅用平衡盘平衡轴向推力还存在一些问题，尤其是现代大容量机组参与调峰，给水泵的压力和流量随负荷的升降而变动得越来越频繁。因此，对轴向力的平衡提出了更高的要求。对平衡盘的改进应从合理增大动态恢复力和增加平衡鼓及双向止推轴承的方法着手；对平衡室压力增大，应从调整节流孔直径、径向间隙b₁，和轴向间隙b₆入手。5.1合理增大动态恢复力所谓“动态恢复力”是指给水泵转子离开平衡位置时，有一个很大的恢复平衡的附加力，这个力称为动态恢复力，动态恢复力是瞬间平衡力大于轴向力的附加差值。要使动态恢复力增大，必须使瞬间平衡力增大。这取决于平衡盘压差系数K_OK越大，动态恢复力越大，就愈能迅速恢复平衡位置。要达到这个目的，只有P₄变得很大才行，但要保证平衡盘正常工作面不发生磨损。5.2增加平衡鼓及双向止推轴承由于平衡盘不能完全平衡轴向力，可采用加装平衡鼓和止推轴承的方法来平衡轴向力。如图2所示，叶轮的轴向力基本上由平衡鼓两侧压差所形成的平衡力来抵消。而双向止推轴承和平衡盘则起着承受剩余推力的作用，双向止推轴承不起轴向定位的作用。采用弹簧式的双向止推轴承不仅能适应平衡盘的左右移动，缓冲推力盘的磨损，而且可以保证在低速时由弹簧把平衡盘向高压侧顶开，从而保护平衡盘。例如，双鸭山发电厂HЭ——380——200——3型电动调速给水泵未设计平衡鼓，给水泵的轴向力仅依靠平衡盘来平衡。3号机组给水泵平衡室与入口压差大，达0.7MPa(平衡室正常值入口压差为0.1～0.3MPa)。经解体检查，径向间隙b₁，和轴向间隙b₂均满足安装要求，断定节流孔直径不符合要求。实践证明，当节流孔直径从Ф6增大到Ф25时，平衡室压力与人口压力差降到0.1～0.3MPa，轴向位移满足运行要求。同样，在4号机组给水泵上采用此法，但运行一段时间后，发现给水泵轴向位移增大，振动增大。经解体检查发现径向间隙b₁不足0.10mm。当b₁值重新调整到0.22mm时，给水泵运行正常，且长期运行未发现异常。

6　结束语上面根据轴向力的特点和平衡盘的平衡原理提出平衡轴向力的各种方法。在采用这些方法前，要仔细分析运行中出现的问题，采取相应的措施。对双鸭山发电厂3号、4号机组多台给水泵的处理证明，合理地运用平衡盘的工作原理进行分析是解决运行中实际问题的关键。