太浦河泵站水泵導軸承分析研究

太浦河泵站水泵導軸承分析研究

摘要太浦河泵站的水導軸承具有轉速低、承載力大的特點，同時軸承又采用與水平面呈斜150布置的方式，受力復雜。經(jīng)計算機仿真模擬水泵裝置內(nèi)部流態(tài)后，提出承載力要求，比較選用稀油潤滑的導軸承，本文對塞德瓦公司的軸承結構和受力要求進行了分析研究。

關鍵詞水導軸承油膜承載力

1水泵特點太浦河泵站總流量300m3/s，裝6臺斜150軸伸泵，泵站設計凈揚程，是國內(nèi)最大的特低揚程大流量泵站。該水泵葉輪直徑，轉速73r/min；水泵與電機采用齒輪減速箱的傳動方式，異步電機功率1600kW，轉速1000r/min；在齒輪減速箱的兩端均有齒式聯(lián)軸器，各設備的軸向力和徑向力分別由本身的軸承承受，除扭矩外各力不相互傳遞。2水泵軸系受力分析計算水泵軸系受力斜150軸伸泵有兩個軸承，近葉輪端的為水導軸承，出水端的為推力徑向組合軸承。軸承受力考慮下面幾種工況，軸系受力詳見圖2-1。靜水工況：流道內(nèi)充滿了水，但水泵未啟動，此時軸承承受水泵轉動部分重量、水的浮力。正常運行工況：水泵運轉后，除上述力之外，軸承還要承受水泵裝置非穩(wěn)定流的水動態(tài)力(f2)、軸向水推力(fZ)、葉輪靜不平衡力(f3)、泵軸撓度引起的離心力(f4)。飛逸工況：水泵斷電而且快速閘門、多葉拍門失效，水泵進入水輪機工況，并發(fā)生飛逸，此時須考慮導致各部件離心力的增加，出現(xiàn)泵軸的扭振現(xiàn)象，對軸承產(chǎn)生沖擊力。其原因是水泵進入水輪機工況，葉輪的葉柵繞流會發(fā)生旋轉脫流，產(chǎn)生葉輪上較大的水壓脈動，致使葉輪壓力側軸對稱速度場的破壞而導致很大的徑向力，從而軸承也承受較大的脈動力矩。正常工況受力計算由于斜軸伸泵呈斜式布置，受力狀態(tài)較臥式和立式水泵要復雜，水泵軸承同時受水平分力和垂直分力。水泵轉動部分的重量和浮力、泵葉輪的靜不平衡力和泵軸撓度引起的離心力由制造廠根據(jù)機械加工的技術要求提出，而因水流引起的不平衡力以及壓力脈動則比較復雜，以往因缺乏有力的計算工具，通常按經(jīng)驗進行估算，誤差不易分析，也難以分析不平衡力產(chǎn)生的原因。為此太浦河泵站工程建設指揮部、設計院、清華大學共同合作，進行計算機水泵裝置整體三維粘性流動模擬分析計算，模擬葉輪轉動時，水泵及進出水流道內(nèi)部不同工況下的流動特性如壓力、速度分布規(guī)律及泵特性曲線，以及流道內(nèi)部的旋渦分布和水力損失情況。同時進行了導葉和葉輪水流相互干涉引起的三維不穩(wěn)定流動分析，得到了葉輪在不同工況下受到的軸向水推力及徑向水推力在旋轉過程中的變化規(guī)律。正常工況運行時，葉輪受到縱向和橫向不穩(wěn)定徑向力，約噸,徑向力變幅約噸。水壓力脈動的頻域能量主要集中在轉頻、3倍轉頻、5倍轉頻上，高頻的能量相對較小。葉輪端的水導軸承主要承受軸系的徑向力，出水端的推力組合徑向軸承主要承受軸向水推力和部分徑向力。葉輪和泵軸重約t，綜合計算和分析，水導軸承受力不小于26t。由于國內(nèi)多個泵站的斜軸伸泵出現(xiàn)過水導軸承損壞情況，所以對水導軸承的選擇做更為仔細的分析研究。3水泵導軸承型式選擇水泵導軸承有水潤滑、油脂潤滑、稀油潤滑三種。水潤滑軸承通常采用工程塑料或橡膠，油脂潤滑和稀油潤滑采用巴氏合金比較多。由于水的粘滯系數(shù)較低，對低速、重載軸承不容易形成油膜，所以不予選用。太浦河水泵的導軸承承載力大，須選用滑動軸承。油脂和稀油兩種潤滑方式都可以用于滑動軸承。典型的油脂潤滑軸承結構見圖3-1，該種型式的軸承在日本的荏原和日立公司生產(chǎn)的斜軸伸式水泵上使用比較多，國內(nèi)的斜300軸伸泵上也使用，葉輪直徑多數(shù)在左右。油脂潤滑有許多優(yōu)點但也有不足一面，概括a.粘附性好，能附著在摩擦表面，不易流失或飛濺。b.特別適合滾動軸承，注油方便，可以長時間運行而不需注油，維護工作量小。c.密封性好，可以防止外界塵土侵入軸承。d.散熱性差，不能像稀油那樣對摩擦副進行循環(huán)冷卻，故不適宜高速轉動的軸承。e.其流動性差，內(nèi)摩擦阻力大無法形成動壓油膜，對大部分滑動軸承不適用。斜軸伸泵一般使用極壓鋰基潤滑脂，這是以十二羥基硬脂酸高粘度精制礦物油，并加多種添加劑。它具有良好的泵送性，較好的耐極壓性，抗水性亦比較好，其它各方面的綜合性能都比壓延機潤滑脂優(yōu)越。稀油潤滑的特點是流動性好，易形成動壓油膜；散熱性好，可以在高速、重載的軸承中使用。在立式水泵、貫流式水輪機、電動機、發(fā)電機的滑動軸承等方面廣泛使用。經(jīng)過比選，業(yè)主單位、設計院、無錫水泵廠選擇了西班牙塞德瓦公司的船用滑動軸承。

4稀油潤滑軸承結構和油品滑動軸承對潤滑油的要求有以下幾點a.適當?shù)恼扯?。承載力大、速度低，選用粘度高的潤滑油。對于動壓潤滑軸承，油的粘度要求較嚴格，因為粘度變化會影響油膜厚度。b.具有較高的散熱性，傳導軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量，使軸承保持較低溫度和熱平衡。c.較好的抗氧化安定性，以免潤滑油因高溫氧化而結焦，以免破壞油膜造成故障。d.較好的油性，以保證在啟動時或改變荷載的情況下，避免油膜破裂而干摩擦。通常稀油潤滑選用透平油比較多，考慮泵站潤滑油品使用的統(tǒng)一性，更考慮到極壓齒輪油的運動粘度遠高于透平油，在水泵轉動時易形成油膜，經(jīng)與制造廠商量，最終選用極壓齒輪油。該油的主要技術性能指標見表4-1。表4-1N220重負荷極壓齒輪油。塞德瓦公司的滑動軸承兩端是P型橡膠密封結構，每道密封有兩個橡膠圈，中間充有壓力油，油壓大于水壓將P型橡膠密封頂起，使水不進入油中。制造廠要求油壓大于水壓倍，為此在泵站的一定高度設置一個高位油箱，該油箱通過管路與軸承的進油口相連，保證油箱的油壓與水壓有個恒定差值。因為泵站水位是變化的，如油位也隨著調(diào)整，恒定差值很難控制，與制造廠商量后，將油箱安裝在泵站高程的位置，高于最高水位，確保水不進入油內(nèi)。整個軸瓦的長度是，軸徑，寬徑比為，允許承載力443kN。軸瓦選用巴氏合金材料。雖然軸承的寬徑比較小，但整根泵軸很長，葉輪以懸臂形式固定在軸上，易產(chǎn)生彎曲，所以采用球型軸瓦底座，可以自動調(diào)整偏心，結構詳見圖4-1。5稀油潤滑軸承的動壓油膜和荷載太浦河水泵的特點是低速重載，軸承承載能力和油膜形成是兩個很重要的條件。由于水導軸承預留位置比較寬敞，考慮國內(nèi)其它泵站的水導軸承出現(xiàn)過事故，斜式布置的軸承受力的特點又未全部了解，所以在軸承的承載能力上盡可能多留有余量?，F(xiàn)選用的軸承最大允許荷載為443kN，遠大于設計要求值，保證軸承運行的安全。塞德瓦公司提供了轉速與最大允許荷載的關系曲線，詳見圖5-1?；瑒虞S承動壓油膜的形成與軸承幾何形式、轉速、軸的粗糙度等有關。塞德瓦是專門制造大型船用軸承的公司，在結構設計上有經(jīng)驗，考慮了形成油膜的結構要求，泵軸表面粗糙度為μm。塞德瓦公司提供了轉速與油膜的關系曲線，從圖5-2中可見在額定轉速時，可以形成動壓油膜，最小油膜厚度為。圖5-2最小油膜厚度與轉速的關系曲線塞德瓦公司還提供了軸瓦承受的壓力曲線圖，在圖中可見軸瓦承受壓力與轉速有關，隨著轉速上升，軸瓦承受壓力顯者下降，并且趨向于平緩。在水泵啟動過程中，軸瓦承受最大壓力，10r/min轉速時，壓力為，為啟動過程中瞬時受力，塞德瓦公司表示是允許的。7結束語太浦河水泵的葉輪直徑大，轉速低，水導軸承為低速重載，是國內(nèi)已運行的泵站中轉速最低，承受的