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对辅助给水电动泵无预润滑轴承的设计探讨
2017-11-7 11:28 中国泵阀制造网 作者:中国泵阀第一网信息部 点击:2013
【中国泵阀制造网 行业论文】作为故障备用泵,要求其轴承必须设计成在不进行预先润滑的情况下立即可以启动运行。轴承运转前不进行预供油,致使运转初期没有油膜形成,容易导致轴瓦温度升高,严重者将导致轴承烧毁。因此无预润滑轴承设计的关键在于如何在尽可能短的时间内完成整个轴承系统的润滑。驱动端轴承为一个单独的径向轴承单元,由一个驱动侧轴承体、一副径向瓦和两侧的油封组成,径向瓦下端开有与进油管道相通的进油孔。

引言

辅助给水电动泵在核电站中的主要功能是作为蒸汽发生器主给水泵或系统供水发生故障时的备用泵,例如现场电源故障,主给水系统管路或主蒸汽系统管路的破损等。因此,作为故障备用泵,要求其轴承必须设计成在不进行预先润滑的情况下立即可以启动运行。轴承运转前不进行预供油,致使运转初期没有油膜形成,容易导致轴瓦温度升高,严重者将导致轴承烧毁。因此无预润滑轴承设计的关键在于如何在尽可能短的时间内完成整个轴承系统的润滑。

1轴承结构介绍

辅助给水电动泵用无预润滑轴承无需额外的润滑系统,整个系统的润滑是自发的。泵一旦启动,系统的润滑就可以实现。它由两个单元组成,分别为图1所示的驱动端轴承和图2所示的非驱动端轴承。

对辅助给水电动泵无预润滑轴承的设计探讨

图1 驱动端轴承

驱动端轴承为一个单独的径向轴承单元,由一个驱动侧轴承体、一副径向瓦和两侧的油封组成,径向瓦下端开有与进油管道相通的进油孔。非驱动端轴承由轴承体、轴承体下部的油室、推力盘、推力凸缘、径向轴承和双向补偿止推轴承等组成。其中推力凸缘为非驱动端轴承设计的关键,亦是整个润滑系统的关键部件。凸缘的1/3都浸泡在非驱动端轴承下部的油室里,为泵启动提供了一定量的润滑油。

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图2 非驱动端轴承

该凸缘与推力盘之间被设计成滑动配合,泵一旦启动,它随着推力盘的转动在一定角度内旋转,旋转到一固定位置后不再旋转。依靠推力盘外圆周的摩擦力带动有粘度的油流动而建立起润滑油的油压,进而为整个润滑油系统提供油量。油室和推力凸缘之间有一个切线方向进入泵腔室的通道,同时在进入通道的旁边有一个反切线方向的通道,这种巧妙的设计保证了无论泵的旋转方向是顺时针还是逆时针,润滑油都可以通过该通道给整个润滑油系统供油。通过推力凸缘中心通道出来的润滑油通过三个油路进行润滑,一路进入止推轴承,另外两路分别通过轴承体内部管道和外部管道去润滑泵两端的径向轴承。因止推轴承处热交换功率较大,所以润滑完止推轴承的热油直接由竖管引出被带到外部设置的冷却器进行冷却,冷却后的冷油返回轴承体下部油箱。因径向轴承润滑油量很小,因此润滑完毕后的热油通过相应的管道回到油室与冷油混合在一起参与下一次的油循环,而无需直接去冷却器进行冷却。至此整个润滑工作完成。非驱动端轴承润滑路径及冷却路径详见图3和图4所示。

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图3 非驱动端轴承润滑路径

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图4 非驱动端轴承冷却路径

2轴承关键设计点

2.1推力凸缘设计

推力凸缘为该轴承的核心部件,其本身的结构设计、与推力盘的间隙、加之泵的转速,管路布置情况等一并影响着整个润滑系统的油量及油压大小。本文所述的推力凸缘周向密封间隙均匀,具有良好的密封性和随动性。能同时满足逆时针和顺时针旋转,但不能满足高频率正反转。其反应速度快,泵油能力强。推力凸缘结构设计见图5示意。本文所提及的辅助给水电动泵转速为2980r/min,泵轴功率为560k W,推力盘与推力凸缘间隙为0.20-0.229mm,推力凸缘流速可达12~15m/s。推力凸缘在一定温度、一定粘度润滑油的情况下,压力与流量间关系如表1。

表 1

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注:1.上述数据均是基于润滑油牌号为ISO VG46进行的计算;2.0.02MPa为辅助给水电动泵驱动侧润滑油管路上所监测的实际压力.

2.2轴瓦的合理选择及设计

轴承系统中油量、油压、载荷及轴承温度等各个参数之间都是相互作用、相互影响的。对任何一个轴承部件来讲,轴瓦的合理选择都显得至关重要。即使油系统润滑效果良好,但如果轴瓦实际承受载荷大于其自身承受极限时,同样会出现轴承温度过高,甚至烧毁的情况。因此要求在选择轴瓦时要尽可能的准确估算出泵的径向力及轴向力,而后进行合理选择。辅助给水电动泵配套推力瓦采用搭桥式扇形可倾瓦,其承载面积大,承载能力强,对推力盘的形位公差敏感度小,可以在很大程度上消除因轴承制造中产生的形位公差,能实现瓦块的自动调节功能。

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图5 推力凸缘结构示意

推力瓦为每组6块,瓦块内径为0.095m,瓦块外径为0.18m,包角52°,载荷比压0.76MPa,最小油膜厚度4.01E-05m,油量15.8L/min,功耗2k W。径向瓦采用球面安装轴瓦,安装面为球面,具有调心功能。轴瓦两端开有油槽,可以起密封缓冲功能,以减小密封压力。同时轴瓦中心最低端开有油囊,具有保油功能。能减少除初次启动外启动时径向轴瓦的磨损量,即可以在一定程度上提高轴瓦的使用寿命。径向瓦载荷比压0.29MPa,最小油膜厚度4.45E-05m,油量:0.5L/min,功耗0.2k W。

2.3外部润滑油管道的设计

驱动侧径向轴承回油为无压力回油,全部依靠重力作用完成,因此该部分管道设计时必须使驱动侧回油孔低于非驱动侧回油孔,使回油管道有一个连续上升的坡度,该坡度建议保持在5°-8°间,不宜过大。另,本文所述的轴承系统是完全的自保持,不需要进行连续的过滤,只需对首次填充的润滑油进行控制。首次采用的润滑油建议采用10微米或更高的级别进行过滤。因此,该轴承回油管道上不建议设置任何流量测量及过滤等装置,以免因这些装置的阻力或压损而影响回油效果。如为观察回油情况可以设置一个过流视窗。冷却器进、出油管道也应尽可能设计得阻力小些,且为保证润滑油冷却回油通畅,务必使冷却器回油孔要低于轴承体下部油室的出油孔,现场条件允许的情况下该高度差可以尽可能的选择大些。

2.4其它要点

除上述提到的几个关键点外,润滑油牌号的选择同样重要,一般情况下我们推荐使用ISO VG46#润滑油。然而其他的油粘度级别也可以应用,使用时主要考虑速度和载荷。例如,ISO VG32#较适合于低载荷和高速的条件,而ISO VG 68#则更适合应用在载荷较大并且速度较低的情况。另外,对于北方地区冬季使用时,如果启动时环境温度低于50°F(10°C),为更好地保证润滑效果,推荐在油管上设置轨迹加热或在非驱动端轴承体下部油槽内设置一个油加热器。

3试验验证

辅助给水电动泵按照核电站核级泵鉴定要求先后进行了许多试验,其中一项为200h耐久试验,试验期间泵组进行了50次启停以及最小流量与最大流量间的循环,每次停车与启动的时间间隔不超过30min,且每次启停都是无预润滑启动。试验结果表明泵组从启动到完成整个油循环时间仅为7s,且整个运行期间,任何流量点下泵均无任何异常现象,轴承温度良好,径向轴承最高温度不超过70℃,止推轴承最高温度不超80℃,振动噪声指标无异常。耐久试验结束后,对泵进行解体,检查所有径向轴承及止推轴承表面,检查结果发现轴承表面光滑,无任何可见的研磨迹象。检查轴承间隙,间隙较耐久试验前比无变化。上述试验结果充分证明了该无预润滑轴承结构设计合理,可以满足核电站的无预润滑要求。

4结论

本文所述的无预润滑轴承无需泵组配套外供润滑油装置,不但节约成本,且减小了泵组占地面积。除核电站应急工况应用外,对火电站空间受限的机组也同样值得推广

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(来源:中国泵阀第一网)

本文标签: 给水电动泵 轴承 
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