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三门核电启动给水泵轴向力平衡结构浅析 摘要：三门核电启动给水泵属小流量、高扬程卧式多级离心泵，此类泵的制造难点：转子累加轴向力大、运行过程中转子容易窜动大、推力轴承部件易磨损等，此类泵的转子轴向力平衡一直是厂家的设计难点。三门核电启动给水泵采用叶轮背靠背对称布置、后密封轴套、中间节流衬套、一对背靠背角接触球轴承有效解决了该泵转子轴向力平衡的问题。 下载 关键词：多级离心泵；轴向力；后密封轴套；节流衬套；角接触球轴承 中图分类号：TK264 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）11-0134-03 三门核电一期工程每台机组采用2台100%容量的启动给水泵，每台启动给水泵能为两台蒸汽发生器提供100%所需给水流量以带走蒸汽发生器的热量。该泵属小流量、高扬程、非核级卧式多级离心泵。 1 设计参数 三门核电启动给水泵设计流量为100m3/h，扬程为1050m，转速为2985rpm，轴功率为600kW，最大设计温度为65.6，叶轮级数为9级。 2 结构简述 三门核电启动给水泵属于非核级、卧式、中心支撑、水平中开轴向剖分、叶轮反向对称布置、轴向力自平衡的双涡室多级离心泵。泵主要由泵体、泵盖、转子部件、轴承部件、中分面密封垫以及连接紧固件等部件组成。该泵在第5级与第9级叶轮之间设置了中间静压轴承（中间轴套、中间节流衬套组成），在第6级叶轮与非驱动端机械密封腔之间设置了后密封轴套和后节流衬套。泵进水口靠近驱动端，出水口在泵的中部，分布在泵体的两侧上，不需要拆卸进出水管路就能够对泵进行检修。3 常用的轴向力平衡方法 多级泵常用的平衡轴向力的方法有叶轮对称布置、平衡鼓加止推轴承装置、平衡盘装置（平衡盘多用于节段式多级泵），特殊结构的平衡盘有平衡盘和平衡鼓联合结构、双平衡鼓等。 3.1 叶轮对称布置 多级泵的叶轮半数对半数，面对面或者背靠背地按一定次序排列起来，可使轴向力相互平衡。这种方法主要用于蜗壳式多级泵，有时也在节段式多级泵中使用，使用叶轮对称布置时有3个基本原则3.2 平衡鼓结构 单独使用平衡鼓时，必须配合止推轴承装置，由于平衡鼓设计计算时不完全符合实际，或工况变化时，平衡力将不等于轴向力，其残余的轴向力，由止推轴承承受。3.3 平衡盘结构 平衡盘多用于节段式多级泵，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转。 平衡盘和平衡鼓不同，它能自动平衡轴向力，鉴于平衡盘的工作具有左右移动的特点，一般不配备止推轴承。但平衡盘与平衡环在运行中，因轴向间隙较小易直接接触，会使平衡环研磨，转子发生振动而失去稳定性。 3.4 平衡鼓与平衡盘联合结构 平衡鼓与平衡盘组合结构结合了两者的优点，避免了两者的缺点，减小了平衡盘的尺寸，能平衡较大的轴向力，又能实现自动的动态平衡，同时减少了泄漏，提高了泵的效率和可靠性。但由于平衡盘的轴向间隙较小，容易产生动、静部分摩擦、咬合，运行安全性较低。 4 启动给水泵轴向平衡力设计方案 在不同的工况下，泵的静态轴向力是不同的。同时工况的改变、液流的冲击、密封等部件的装配情况均还会引起泵动态轴向力的改变。静态轴向力和动态轴向力的不确定性，增加了启动给水泵平衡轴向力的难度。厂家从众多平衡方法中选择了自平衡结构（叶轮背靠背对称布置）、后密封轴套（类似平衡鼓结构）、中间节流衬套、非驱动端采用一对背靠背角接触球轴承（可承受双向轴向推力）4个方面解决了启动给水泵轴向力平衡的问题。 4.1 启动给水泵自平衡结构 4.1.1 叶轮对称布置原则：（1）级间过渡流道不能很复杂，以利于铸造和减小阻力损失；（2）两端轴封侧应布置低压级，以减小轴封所受的压力；（3）相邻两级叶轮间的级差不要很大，以减小级间压差，从而减小泄漏。 启动给水泵泵体、泵盖及级间过渡流道采用铸造而成，满足要求（1）。 启动给水泵驱动端机械密封布置在首级叶轮入口驱动端侧，入口压力属低压；非驱动端机械密封布置在第6级叶轮入口非驱动端侧（第6级叶轮与机械密封之间布置有后密封轴套及后节流衬套），后密封轴套结构带有经过精密研磨的螺旋密封，将第6级叶轮入口压力为5.5MPa左右的高压水衰减达到常压，并通过平衡管部件使泵腔常压液体与泵吸入口相通，从而实现泵腔液体的内循环和无泄漏，提高了泵容积效率；同时使非驱动端机械密封腔的介质压力较低，为机械密封提供了良好的密封条件，极大地提高了机械密封的使用寿命，满足要求（2）。 启动给水泵相邻两级叶轮间的级差为1，级间压差在要求范围内，从而减小了泵的内泄漏，满足要求（3）。 4.1.2 启动给水泵自平衡结构简介：MP07启动给水泵共9级叶轮，低压区由首级叶轮和4个前叶轮（2-5级）组成，高压区由4个后叶轮（6-9级）组成，采用背靠背对称布置。 对称布置叶轮，只有在结构完全相同的条件下，轴向力才能完全平衡，当各级的轮毂轴台不同时，要产生一定的轴向力。 启动给水泵1-9级叶轮的轮毂轴台直径一样；前、后叶轮的外形尺寸完全相同，在不考虑制造偏差的情况下，2-5级前叶轮、6-9级后叶轮产生的轴向力彼此抵消，首级叶轮产生的轴向力由后密封轴套平衡，理论上该转子部件轴向力自动平衡，不需平衡盘或平衡鼓结构，但考虑到加工和装配的误差及转子部件产生的残余轴向力和启动、停泵时产生的瞬时轴向力，在泵非驱动端设置一对背靠背角接触球轴承承担残余轴向力和瞬时轴向力，确保泵运行的可靠性。 4.2 后密封轴套（类似迷宫式平衡鼓结构） 后密封轴套的设计，用于在该泵运行过程中的某一工况下，对泵转子产生一个固定的指向非驱动端的轴向力。启动给水泵后密封轴套设计在第6级叶轮非驱动端侧，主要工作原理如下：启动给水泵液体经前5级叶轮加压后，高压水大约为5.5Mpa，运行中部分高压水从后密封轴套与后节流衬套之间的间隙中流入非驱动端的平衡室中。平衡室和泵的入口处由平衡水管连通（泵入口处压力为常压），流入平衡室的水由平衡水管返回到泵的入口处，所以平衡室中的压力远远低于5.5Mpa，在后密封轴套的两侧就形成一定的压力差，产生指向非驱动端的力。 后密封轴套产生的平衡力在一定的运行工况下是固定的，它不能像平衡盘一样可以实现自平衡，所以必须在设计时要控制不同工况下后密封轴套产生的平衡力在适当的范围内，需要综合考虑后密封轴套直径、后密封轴套与后节流衬套的配合间隙。厂家在设计时考虑了后密封轴套和后节流衬套的配合间隙，使其产生的平衡力能与首级叶轮产生的轴向力、中间静压轴承两侧因第9级叶轮与第5级叶轮之间压力差而产生的轴向力之和基本实现平衡。 4.3 中间节流衬套设计 第5级叶轮与第9级叶轮之间设计有中间轴套、中间节流衬套，中间轴套与中间节流衬套之间的配合间隙为0.10-0.13mm，所允许的最大间隙值为0.2mm，允许适量介质在中间轴套/节流衬套之间流动。泵在正常运行时，第9级叶轮处的压力可以达到9.9MPa以上，而第5级叶轮的出口压力只有5.5MPa左右，介质通过中间轴套与中间节流衬套的配合间隙由第9级叶轮后盖板侧流向第5级叶轮的后盖板侧，第9级叶轮后盖板侧的压力减小，相应的第5级叶轮后盖板侧的压力增加。 如果将第9级、第5级叶轮看做一个整体，两侧由于叶轮对称设计而形成的基本平衡被打破，产生一个整体指向驱动端的不平衡力。 4.4 背靠背角接触球轴承 启动给水泵采用自平衡结构（叶轮反向对称布置）、后密封轴套（类似平衡鼓结构）、中间轴套理论上基本解决了泵转子轴向力平衡的问题，但考虑到加工和装配的误差、转子部件产生的残余轴向力和启动、停泵时产生的瞬时轴向力，厂家设计时在泵的非驱动端设置了承担瞬时轴向力和残余轴向力的一对背靠背配对的角接触球轴承。当泵启动、停车瞬间及系统工况发生突变时，该角接触球轴承可承受足够大的轴向力以保证转子部件不发生过大的轴向窜动，保证泵在运行中不会损伤、确保泵运行的可靠性。 4.5 启动给水泵轴向力平衡方案优点 （1）自平衡结构相比平衡盘结构优点。一般多级离心泵采用平衡盘或平衡鼓结构，对于采用平衡盘结构的多级离心泵，平衡盘与平衡环之间的工作间隙一般为0.12-0.30mm，在此间隙之间形成介质液膜而承受转子产生的轴向力。如果介质温度高，介质的汽化压力也高，在平衡盘和平衡环之间容易发生汽蚀，引起泵的振动和干摩擦而磨损。 在离心泵的启动、停车以及负荷突变时，轴向力会随之发生突变；在平衡该轴向力过程中，转子部件轴向移动一般都在1-3mm内，导致平衡环与平衡盘之间的间隙的突变，在惯性力的作用下，平衡盘与平衡环易直接接触，会造成平衡环与平衡盘之间的摩擦，通常出现平衡盘与平衡环发生干烧而咬合，平衡机构被破坏，严重时出现主轴被扭断的重大停车事故。特别是泵在输送高温、含气体和含固体颗粒的介质时，极容易破坏平衡盘与平衡环之间的液膜而发生干磨损现象，大大降低了泵的使用寿命。 （2）中间静压轴承优点.轴向力平衡方案中引入中间节流衬套、中间轴套所组成的中间静压轴承结构，提高了泵转子的临界转速，临界转速为5739r/min，远大于泵的最大连续速度。 启动给水泵利用自身巧妙结构实现轴向力自动平衡，这是与其它一般高压多级泵在结构上的本质区别，对于确保泵的安全可靠、长周期无故障运行，是其他一般多级离心泵所无法比拟的。 5 结语 在轴向力平衡方法上选择自平衡结构（叶轮背靠背对称布置），抵消2-5级前叶轮、6-9级后叶轮产生的轴向力； 首级叶轮会产生指向驱动端的轴向力、中间节流衬套两侧因第9级与第5级叶轮之间压力差会产生一个整体指向驱动端的不平衡力，二者之和与后密封轴套、后节流衬套产生的指向非驱动端的平衡力基本实现平衡； 泵在不同工况下运行时，静态轴向力不能完全通过前面的方法完成平衡；另外，当泵启动、停车瞬间及系统工况发生突变时，会产生方向不确定性的动态轴向力，故需