燃油供油多級泵平衡盤磨損的原因分析及對策

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)電廠鍋爐啟動點火燃燒的柴油，多采用機械霧化油槍噴射，柴油被機械霧化時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離心泵。在多級離心泵將其內部工質壓力提高的同時，也會產生較大的軸向推力，影響多級泵安全運行。鄭州某熱電廠燃油泵采用分段臥式9級離心輸油泵，由于泵本身的設計原因，軸向力不能被平衡盤所平衡，平衡盤因接觸摩擦而嚴重磨損，造成機封頻繁漏油等問題。因此，必須設法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。

1 離心泵軸向力的產生及其平衡

1.1 作用在轉子上的軸向推力

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

(1)葉輪前、后蓋板不對稱產生的軸向力，此力指向葉輪吸入口方向，用FA1表示;

(2)動反力，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、后蓋板不對稱，前蓋板吸入眼部分沒有蓋板;葉輪前、后蓋板像輪盤一樣帶動前、后腔內液體旋轉，蓋板兩側腔體內的液體壓力按拋物線規律分布。

作用在后蓋板上的壓力，除口環Rc以上部分與前蓋板對稱作用的壓力相抵消外，口環以下部分(葉輪輪轂半徑Rh與密封環半徑Rc之間的圓環區域)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 動反力 FA2

液體沿軸向進入葉輪，沿徑向流出。液體通過葉輪后流向之所以發生改變，是因為液體受到葉輪作用的結果。反之，液體給葉輪一個大小相等、方向相反的反作用力，該力即為動反力，指向葉輪后面。

1.2 多級泵軸向力的平衡

多級泵的軸向推力比單級泵大得多，軸向推力可以達幾十千牛，甚至上百千牛，該軸向力將拉動轉子產生軸向竄動，與固定件接觸摩擦，造成零件損壞以至不能工作，因此，多級泵軸向力的平衡更為復雜。該廠多級燃油離心泵采取平衡盤與平衡鼓聯合裝置來平衡軸向推力，如圖2所示。

顯效：經治療，原有皮膚瘙癢情況完全消失，且短期內未有復發；有效：經治療，原有皮膚瘙癢情況有明顯改善，或有部分減輕；無效：經治療，原有皮膚瘙癢情況無任何改善甚至有持續加重。總有效率=顯效率+有效率。

1.3 平衡盤的工作原理

平衡盤多用于節段式多級泵，平衡鼓平衡盤(也稱動盤)固定在最后一級葉輪的后面，和軸一起旋轉，在平衡盤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。平衡盤后的空間叫平衡室，平衡室與離心泵的第1級葉輪吸入室通過平衡管相連。在平衡盤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

當離心泵正常工作時，末級葉輪后泵腔的壓力為p2，通過徑向間隙b1后，泄漏到平衡盤中間室的液體壓力降到p1。p1是平衡盤前的壓力，液體經過軸向間隙b0后壓力降到p0。在平衡鼓部分，壓力差(p2－p0)作用在相應的有效面積上便產生了一個指向右方的平衡力F2;平衡盤部分兩側存在的壓力差(p1－p0)作用在相應的有效面積上，便產生了一個指向右方的平衡力F1，F1+F2與轉子上的軸向力FA方向相反。

平衡盤像浮動的液體潤滑軸承，它能自動平衡軸向力。假設轉子上的軸向推力大于平衡力，轉子便朝左產生一段微小的位移，此時，軸向間隙b0減小，泄漏的液體量將會減少。而徑向間隙b1是不變的，當泄漏量減小時，流過徑向間隙b1的液體速度減小，阻力損失Δp1減少(Δp1=p2－p1)，此時，末級葉輪后泵腔的壓力p2在油泵正常工作時幾乎不變。p2不變，Δp1減小，則平衡盤前的壓力p1升高。p0在油泵正常工作時不變，Δp2=p1－p0，則Δp2增大。平衡力F1=Δp2×平衡盤有效面積，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，當軸向推力小于平衡力時，轉子向泵的右位移，同樣也能達到平衡。

2 燃油泵平衡盤磨損的現狀與原因分析

該廠目前有3臺燃油泵，型號為65DGY－50*9，全部是多級(9級)離心泵，揚程為468 m，流量為25 m3/h，為鍋爐停爐、點火、穩燃提供燃料柴油，2007年12月正式投入使用。

2.1 平衡盤磨損

在2008年1—5月，該廠3臺供油泵頻繁發生故障，故障主要表現為機封泄漏、軸承發熱與損壞以及泵體發熱。

拆開油泵進行檢查，發現平衡鼓平衡盤磨損嚴重。更換油泵廠家提供的新平衡鼓平衡盤及平衡座后，平衡盤處發熱至70℃以上。平衡盤摩擦造成柴油經油泵升壓后，溫升過快，只能間斷運行。

前面已經介紹，平衡盤是用來平衡軸向推力的，泵在正常運行中平衡盤與平衡座之間始終保持有軸向間隙，平衡盤與平衡座之間不會接觸，更不應該出現兩者之間的接觸摩擦。

為了進一步驗證該泵在運行中存在平衡盤的磨損，更換1套新的平衡盤(廠家提供)，裝配前測量平衡盤與平衡座的厚度，讓油泵連續運行72 h后拆開檢查，發現平衡盤與平衡座共磨損了4 mm，也就是說，轉子(連同葉輪)向油泵吸入側位移了4 mm。

解體油泵檢查發現以下3個方面的問題:

(1)機封彈簧壓死，摩擦面損壞;

(2)平衡盤及平衡座嚴重磨損而報廢;

(3)油泵銅葉輪及葉輪上銅口環(密封件)因嚴重磨損而報廢。

2.2 原因分析與對策

根據油泵運行情況及部件出現的損壞現象，可以明確地判斷油泵設計上有重大缺陷，平衡盤不能完全平衡軸向力。

據廠家技術人員解釋:這種油泵平衡盤磨損很快，因平衡盤嚴重磨損，軸向位移過大，致使機封彈簧壓死后不能回彈，摩擦副不能接觸造成了機封泄漏。油溫升高也是平衡盤接觸摩擦引起的，因此，需經常更換平衡盤。

剩余軸向力的平衡成為該泵檢修的關鍵，通常采用推力軸承來平衡多級泵的剩余軸向力，但該油泵設計時兩端采用的都是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，設計上沒有考慮剩余軸向力的平衡。實踐證明，這樣的設計是造成多級供油泵頻繁故障的真正原因。

在檢修實踐中，為了平衡油泵剩余軸向力，最終選擇的方案是:在保證平衡盤的2個間隙(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作用的聯合負荷。另外，將油泵平衡盤由普通碳鋼材質換成耐磨材質4Cr13并進行表面淬火熱處理。啟動油泵，軸承溫度升高，投冷卻水后，軸承溫度正常，平衡盤處溫度正常，進行72 h試運，運行平穩，解決了振動、發熱、機封頻繁泄露等問題。

該廠3臺多級供油泵經過以上的改進，故障率大大降低。

3 防止平衡盤磨損的建議

(1)對于長期停運的油泵而言，在油泵啟動前，運行人員應將出口門關閉，待油泵出口壓力穩定后，逐步打開油泵出口門。防止油管道過長并且內部為空，油泵啟動時，油泵出口長時間壓力太低，造成平衡盤兩側建立不起平衡油壓，從而造成平衡盤磨損或軸承損壞。

(2)提高平衡盤與平衡座的加工精度，保證裝配質量，保證平衡盤與平衡座之間的間隙b0大于平衡盤的端面跳動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與平衡座之間的徑向間隙，最好為0.2～0.3 mm。

(4)平衡盤與平衡座表面硬度應有特殊要求，材質采用4Cr13或其他較硬質，表面熱處理后硬度應達到50 HRC。

(5)加強燃油泵進口濾網清理，加快濾網更換頻率。同時，燃油采購部門應加強油質管理，盡量減少油中雜質。

［1］關醒凡.現代泵技術手冊［M］.北京:宇航出版社，1995.