燃油供油多級(jí)泵平衡盤(pán)磨損的原因分析及對(duì)策

侯東偉

(鄭州新力電力有限公司，河南 鄭州 450007)

0 引言

燃煤熱(火)電廠鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火燃燒的柴油，多采用機(jī)械霧化油槍噴射，柴油被機(jī)械霧化時(shí)要求燃油泵提供的壓力較高(3.0～4.0 MPa)，所以，鍋爐燃油泵常采用多級(jí)離心泵。在多級(jí)離心泵將其內(nèi)部工質(zhì)壓力提高的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大的軸向推力，影響多級(jí)泵安全運(yùn)行。鄭州某熱電廠燃油泵采用分段臥式9級(jí)離心輸油泵，由于泵本身的設(shè)計(jì)原因，軸向力不能被平衡盤(pán)所平衡，平衡盤(pán)因接觸摩擦而嚴(yán)重磨損，造成機(jī)封頻繁漏油等問(wèn)題。因此，必須設(shè)法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。

1 離心泵軸向力的產(chǎn)生及其平衡

1.1 作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力

該廠燃油泵采用分段臥式9級(jí)離心輸油泵，葉輪為單吸封閉式。泵轉(zhuǎn)子上作用的軸向推力主要由以下2個(gè)分力組成:

(1)葉輪前、后蓋板不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的軸向力，此力指向葉輪吸入口方向，用FA1表示;

(2)動(dòng)反力，此力指向葉輪后面，用FA2表示。

1.1.1 蓋板力 FA1

由圖1所示，葉輪前、后蓋板不對(duì)稱(chēng)，前蓋板吸入眼部分沒(méi)有蓋板;葉輪前、后蓋板像輪盤(pán)一樣帶動(dòng)前、后腔內(nèi)液體旋轉(zhuǎn)，蓋板兩側(cè)腔體內(nèi)的液體壓力按拋物線規(guī)律分布。

作用在后蓋板上的壓力，除口環(huán)Rc以上部分與前蓋板對(duì)稱(chēng)作用的壓力相抵消外，口環(huán)以下部分(葉輪輪轂半徑Rh與密封環(huán)半徑Rc之間的圓環(huán)區(qū)域)的壓力減去吸入壓力p1后的軸向力即是FA1，其指向葉輪入口。

圖1 離心泵作用在葉輪的軸向力

1.1.2 動(dòng)反力 FA2

液體沿軸向進(jìn)入葉輪，沿徑向流出。液體通過(guò)葉輪后流向之所以發(fā)生改變，是因?yàn)橐后w受到葉輪作用的結(jié)果。反之，液體給葉輪一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力，該力即為動(dòng)反力，指向葉輪后面。

1.2 多級(jí)泵軸向力的平衡

多級(jí)泵的軸向推力比單級(jí)泵大得多，軸向推力可以達(dá)幾十千牛，甚至上百千牛，該軸向力將拉動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，與固定件接觸摩擦，造成零件損壞以至不能工作，因此，多級(jí)泵軸向力的平衡更為復(fù)雜。該廠多級(jí)燃油離心泵采取平衡盤(pán)與平衡鼓聯(lián)合裝置來(lái)平衡軸向推力，如圖2所示。

顯效：經(jīng)治療，原有皮膚瘙癢情況完全消失，且短期內(nèi)未有復(fù)發(fā)；有效：經(jīng)治療，原有皮膚瘙癢情況有明顯改善，或有部分減輕；無(wú)效：經(jīng)治療，原有皮膚瘙癢情況無(wú)任何改善甚至有持續(xù)加重?？傆行?顯效率+有效率。

1.3 平衡盤(pán)的工作原理

平衡盤(pán)多用于節(jié)段式多級(jí)泵，平衡鼓平衡盤(pán)(也稱(chēng)動(dòng)盤(pán))固定在最后一級(jí)葉輪的后面，和軸一起旋轉(zhuǎn)，在平衡盤(pán)前的殼體上裝有平衡座，用螺栓將平衡座固定在泵的殼體上。平衡盤(pán)后的空間叫平衡室，平衡室與離心泵的第1級(jí)葉輪吸入室通過(guò)平衡管相連。在平衡盤(pán)與平衡座之間有軸向間隙b0和徑向間隙b1。

圖2 平衡鼓平衡盤(pán)

當(dāng)離心泵正常工作時(shí)，末級(jí)葉輪后泵腔的壓力為p2，通過(guò)徑向間隙b1后，泄漏到平衡盤(pán)中間室的液體壓力降到p1。p1是平衡盤(pán)前的壓力，液體經(jīng)過(guò)軸向間隙b0后壓力降到p0。在平衡鼓部分，壓力差(p2－p0)作用在相應(yīng)的有效面積上便產(chǎn)生了一個(gè)指向右方的平衡力F2;平衡盤(pán)部分兩側(cè)存在的壓力差(p1－p0)作用在相應(yīng)的有效面積上，便產(chǎn)生了一個(gè)指向右方的平衡力F1，F(xiàn)1+F2與轉(zhuǎn)子上的軸向力FA方向相反。

平衡盤(pán)像浮動(dòng)的液體潤(rùn)滑軸承，它能自動(dòng)平衡軸向力。假設(shè)轉(zhuǎn)子上的軸向推力大于平衡力，轉(zhuǎn)子便朝左產(chǎn)生一段微小的位移，此時(shí)，軸向間隙b0減小，泄漏的液體量將會(huì)減少。而徑向間隙b1是不變的，當(dāng)泄漏量減小時(shí)，流過(guò)徑向間隙b1的液體速度減小，阻力損失Δp1減少(Δp1=p2－p1)，此時(shí)，末級(jí)葉輪后泵腔的壓力p2在油泵正常工作時(shí)幾乎不變。p2不變，Δp1減小，則平衡盤(pán)前的壓力p1升高。p0在油泵正常工作時(shí)不變，Δp2=p1－p0，則Δp2增大。平衡力F1=Δp2×平衡盤(pán)有效面積，因此，平衡力F1增加。軸向間隙b0減小到使平衡力與軸向推力FA相等為止。反之，當(dāng)軸向推力小于平衡力時(shí)，轉(zhuǎn)子向泵的右位移，同樣也能達(dá)到平衡。

2 燃油泵平衡盤(pán)磨損的現(xiàn)狀與原因分析

該廠目前有3臺(tái)燃油泵，型號(hào)為65DGY－50*9，全部是多級(jí)(9級(jí))離心泵，揚(yáng)程為468 m，流量為25 m3/h，為鍋爐停爐、點(diǎn)火、穩(wěn)燃提供燃料柴油，2007年12月正式投入使用。

2.1 平衡盤(pán)磨損

在2008年1—5月，該廠3臺(tái)供油泵頻繁發(fā)生故障，故障主要表現(xiàn)為機(jī)封泄漏、軸承發(fā)熱與損壞以及泵體發(fā)熱。

拆開(kāi)油泵進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)平衡鼓平衡盤(pán)磨損嚴(yán)重。更換油泵廠家提供的新平衡鼓平衡盤(pán)及平衡座后，平衡盤(pán)處發(fā)熱至70℃以上。平衡盤(pán)摩擦造成柴油經(jīng)油泵升壓后，溫升過(guò)快，只能間斷運(yùn)行。

前面已經(jīng)介紹，平衡盤(pán)是用來(lái)平衡軸向推力的，泵在正常運(yùn)行中平衡盤(pán)與平衡座之間始終保持有軸向間隙，平衡盤(pán)與平衡座之間不會(huì)接觸，更不應(yīng)該出現(xiàn)兩者之間的接觸摩擦。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該泵在運(yùn)行中存在平衡盤(pán)的磨損，更換1套新的平衡盤(pán)(廠家提供)，裝配前測(cè)量平衡盤(pán)與平衡座的厚度，讓油泵連續(xù)運(yùn)行72 h后拆開(kāi)檢查，發(fā)現(xiàn)平衡盤(pán)與平衡座共磨損了4 mm，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子(連同葉輪)向油泵吸入側(cè)位移了4 mm。

解體油泵檢查發(fā)現(xiàn)以下3個(gè)方面的問(wèn)題:

(1)機(jī)封彈簧壓死，摩擦面損壞;

(2)平衡盤(pán)及平衡座嚴(yán)重磨損而報(bào)廢;

(3)油泵銅葉輪及葉輪上銅口環(huán)(密封件)因嚴(yán)重磨損而報(bào)廢。

2.2 原因分析與對(duì)策

根據(jù)油泵運(yùn)行情況及部件出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象，可以明確地判斷油泵設(shè)計(jì)上有重大缺陷，平衡盤(pán)不能完全平衡軸向力。

據(jù)廠家技術(shù)人員解釋:這種油泵平衡盤(pán)磨損很快，因平衡盤(pán)嚴(yán)重磨損，軸向位移過(guò)大，致使機(jī)封彈簧壓死后不能回彈，摩擦副不能接觸造成了機(jī)封泄漏。油溫升高也是平衡盤(pán)接觸摩擦引起的，因此，需經(jīng)常更換平衡盤(pán)。

剩余軸向力的平衡成為該泵檢修的關(guān)鍵，通常采用推力軸承來(lái)平衡多級(jí)泵的剩余軸向力，但該油泵設(shè)計(jì)時(shí)兩端采用的都是N306軸承，該軸承只能用于承受徑向力，不能限制軸和外殼之間的軸向位移，設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮剩余軸向力的平衡。實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)是造成多級(jí)供油泵頻繁故障的真正原因。

在檢修實(shí)踐中，為了平衡油泵剩余軸向力，最終選擇的方案是:在保證平衡盤(pán)的2個(gè)間隙(b1為0.25 mm，b2為0.15mm)正確的情況下，在油泵出口端采用角接觸球軸承7306，可以承受徑向和軸向同時(shí)作用的聯(lián)合負(fù)荷。另外，將油泵平衡盤(pán)由普通碳鋼材質(zhì)換成耐磨材質(zhì)4Cr13并進(jìn)行表面淬火熱處理。啟動(dòng)油泵，軸承溫度升高，投冷卻水后，軸承溫度正常，平衡盤(pán)處溫度正常，進(jìn)行72 h試運(yùn)，運(yùn)行平穩(wěn)，解決了振動(dòng)、發(fā)熱、機(jī)封頻繁泄露等問(wèn)題。

該廠3臺(tái)多級(jí)供油泵經(jīng)過(guò)以上的改進(jìn)，故障率大大降低。

3 防止平衡盤(pán)磨損的建議

(1)對(duì)于長(zhǎng)期停運(yùn)的油泵而言，在油泵啟動(dòng)前，運(yùn)行人員應(yīng)將出口門(mén)關(guān)閉，待油泵出口壓力穩(wěn)定后，逐步打開(kāi)油泵出口門(mén)。防止油管道過(guò)長(zhǎng)并且內(nèi)部為空，油泵啟動(dòng)時(shí)，油泵出口長(zhǎng)時(shí)間壓力太低，造成平衡盤(pán)兩側(cè)建立不起平衡油壓，從而造成平衡盤(pán)磨損或軸承損壞。

(2)提高平衡盤(pán)與平衡座的加工精度，保證裝配質(zhì)量，保證平衡盤(pán)與平衡座之間的間隙b0大于平衡盤(pán)的端面跳動(dòng)量且小于泵要求的最大平衡間隙。

(3)在保證徑向通道不堵塞的情況下盡量減小平衡盤(pán)與平衡座之間的徑向間隙，最好為0.2～0.3 mm。

(4)平衡盤(pán)與平衡座表面硬度應(yīng)有特殊要求，材質(zhì)采用4Cr13或其他較硬質(zhì)，表面熱處理后硬度應(yīng)達(dá)到50 HRC。

(5)加強(qiáng)燃油泵進(jìn)口濾網(wǎng)清理，加快濾網(wǎng)更換頻率。同時(shí)，燃油采購(gòu)部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)油質(zhì)管理，盡量減少油中雜質(zhì)。

［1］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:宇航出版社，1995.