平衡室压力变化对给水泵运行稳定性的影响

平衡室压力变化对给水泵运行稳定性的影响2叶茎根天津泵业机械集团有限公司二○○三年三月摘要：通过对给水泵平衡室压力的调节，分析了平衡室压力变化对给水泵运行稳定性产生的影响，并探讨给水泵运行安全可靠性问题。关键词：给水泵平衡室平衡盘压力前言：水泵运转时，会在其转子上产生一种轴向力，此力的矢量与泵转子的轴心线重合。对于大型离心泵，特别是高压的多级泵，轴向力可能达到非常大的值。一般情况下，由于结构设3计上的原因，泵的轴承很难承受这样大的力，或者是承受大轴向力的轴承会产生剧烈磨损等，因此，往往在水泵结构设计时充分考虑对轴向力进行平衡。立式高压多级给水泵由于其运行参数非常高，同时又需要在多个工况下运行，因此采用简单的平衡孔或平衡管结构不足以将作用于转子上的轴向力减小到所希望的、能满足正常使用要求的程度，通常都要采用平衡鼓或平衡盘等平衡结构来平衡轴向力。其中平衡盘由于结构简单并能完全和自动平衡轴向力而得到广泛应用。本文将以平衡盘的实用结构为例，对平衡盘自动平衡轴向力的工作原理以及平衡盘后平衡室压力的变化对给水泵运行可靠性、稳定性的影响进行分析说明。正文：1．平衡盘应用结构实例如图所示，该平衡盘结构用于具下述参数的锅炉给水泵中。给水泵的设计参数为：Q＝95m3/hn＝9680r/min4P出＝7.74MPaP进＝0.21MPa泵采用二级立式结构，给水温度为104℃。平衡室初始设计工作压力为P5＝0.4～0.6MPa，而在机组运行过程中平衡室回水压力会升至0.64MPa,有的工况下甚至达到0.7MPa，超过初始设计值范围。机组在高负荷工况下运行时会出现明显的异常振动和噪声，严重影响了给水泵运行稳定性和安全性。2．平衡盘工作原理及平衡室压力偏高的原因分析平衡盘一般装在末级叶轮之后，由平衡盘和平衡盘环两个主要零件组成。平衡装置中有两个间隙：径向间隙b1和轴向间隙b2，如图所示。径向间隙前的压力是末级叶轮后泵腔的压力p3，该压力通过径向间隙b1后下降为p4，又经轴向间隙b2后下降为p5。平衡盘后轴封处的压力为p6。平衡盘前的压力p4大于后面的压力p6，其压差在平衡盘上产生的力加上转子的重量组成平衡力F，指向下方。作用在转子上的指向上方的力为轴向力A。值得说明的5是，平衡盘是靠流体介质的泄漏产生压差的，没有流体介质的泄漏也就没有平衡力。平衡盘的工作状态类如一个浮动的液体滑动轴承，它之所以能够自动平衡轴向力是因为图：平衡盘平衡轴向力示意图平衡装置中两个间隙的长度和宽度随平衡盘两侧的压差而自动调节从而能自动改变平衡力的结果。液流经过平衡装置所产生的总压差Δp等于经径向间隙所产生的压差Δp1和经轴向间隙所产生的压差Δp2之和，即Δp＝Δp1＋Δp2，Δp＝p3－p6，Δp16＝p3－p4，Δp2＝p4－p6相对于轴向间隙b2随工况变化而处于相对不稳定的动态平衡位置而言，径向间隙b1在相当的时间内应该是不变的。但是由于水泵下轴承间隙因长时间运行而产生磨损时，会导致平衡盘和平衡盘环间的径向间隙b1也因磨损而增大。b1增大的结果，会使通过b2间隙的流体泄漏量增加。从而导致平衡室内的压力p6增大，这样的后果是使平衡盘研磨，转子发生振动，使转子失去原有的相对稳定性。由于平衡室回水管直径设计为固定不变，在泄漏量经过运行增大时，回水管无法实现相应的回水调节，致使平衡室内的压力增高，从而制约了平衡盘的平衡功效。其后果是使水泵在运行时会产生振动，影响水泵的正常使用，严重时会造成设备损坏，使其无法正常工作，并且还影响到系统的工作和安全。3．解决办法及试验结果对于一定的泵来说，当平衡盘的尺寸及径向间隙b1一定时，轴向间隙b2的改变就起着7调节平衡力大小的作用。平衡力的数学表达如下：abbRRRRπRdRδpπRdR)p(pF22164abRR)pρghρghρgh(p)R(R)p(p26321421264)]RR(RRR)RRRR(RbλR[πρv)RR)p(pabbbababbaea222222122126412ln22(轴向间隙b2进口损失为：gvhew421轴向间隙沿程损失为：保22224)RR(gvb)Rλ(Rhbebw轴向间隙b2出口损失为：gvRRheaw223其中阻力系数：22lg27411)Kb.(λ式中ρ——流体密度，kg/m3ve——轴向间隙的入口流速m/sK——为平衡盘表面的绝对粗糙度，取0.005mm可以看出：当平衡室压力p6升高时，在三8项阻力损失基本不变的情况下，从平衡力数学表达式可知平衡力随之降低。在这样的情况下，单靠轴向间隙b2的微量变化来调整难以对机组的稳定运行予以保证。为解决这个问题，可以考虑加大回水管径，当回水管径加大时，在回水流量不变的情况下轴向间隙的入口流速ve降低，阻力损失随之降低，同时平衡室压力p6响应降低，平衡力F增大。可见适当加大平衡室回水管径理论上可以解决平衡室压力偏高的现象。实际应用的措施是：将水泵已经产生磨损而导致装配间隙偏大的下轴承和下轴套进行更换。鉴于该水泵的平衡盘工作面也已经产生磨损，为了保险起见也对其进行更换。以上措施是从水泵内部本身进行解决的办法。根据分析的结论，将回水管的直径加大，由φ18增大到φ25，根据计算，此时ve值降低50%。同时在回水管路上设置一手动调节阀。这样的目的是：在b1、b2两个间隙处于正常范围，平衡室回水量正常时，将调节阀调小，9保证平衡室内压力的正常；在b1、b2两个间隙由于磨损偏大，平衡室回水量增大，平衡室内压力偏高时，将调节阀调大，也保证平衡室内压力的正常，这样回水量虽然偏大，但可以保证给水泵的平稳运行，同时也延长了水泵的拆检周期。经过上述两项改进措施的实施后，机组的前后性能比较如下表：改进前改进后转速（rpm）83008400P出口（MPa）7.07.05P平衡室（MPa）0.640.44～0.48回水管直径（mm）1825振动噪声明显无回水管调没有安装10节阀5．结论通过分析原因，以及对改进前后机组性能比较，可以看出给水泵平衡室压力偏高的主要原因是两个间隙由于磨损而使泄漏量增加，回水管不能及时调节所致，这个结果回导致给水泵在运行时产生振动、噪声。对机组的安全运行产生较大隐患，所以在给水泵的使用过程中应密切注意平衡室内压力的变化。实践证明，对回水管路在设计时应该考虑加大其通经，并在管路中增设调节阀，这也是提高给水泵运行可靠性的一个有效方法。参考文献1．关醒凡编著现代泵设计手册北京：宇航出版社19952．王锦荣编著锅炉给水泵的经济运行和改进水利电力出版社1991