齒頂間隙對核電機組主油泵性能影響的試驗研究

李 鑫 袁國凱

（東方汽輪機有限公司，德陽 618000）

對于任何一個以蒸汽輪機為核心的發電系統來說，主潤滑供油設備都至關重要。其供油壓力是否穩定、供油流量是否充沛直接關系到發電設備的安全運行。傳統的火電機組多數采用離心式主油泵為整個拖動軸系供給潤滑油。因該類型泵需要一個外部設備為其提供合適的入口壓力，所以需要和油渦輪串聯運行，不能實現獨立運行。東方汽輪機有限公司采用大型外齒嚙合的齒輪泵作為核電機組的主潤滑油泵，可以實現自吸油和排油，不需要油渦輪來實現循環，減小了設備的數量，提高了運行可靠性。

區別于常規的齒輪泵，核電機組主油泵排量巨大，以某機組核電主油泵為例，其額定工況排油流量高達300L/s。巨大的排量造成了泵齒的巨大（見圖1），泵體的整體裝配難度較高。特別是泵殼內表面與齒頂間隙，其間隙均勻性很難保證。這就導致在泵體運行過程中，間隙偏小的區域容易發生局部碰磨。

圖1 某核電機組齒輪泵泵軸

在齒輪泵的設計過程中，通常利用數值計算來求取最優徑向間隙，以總的功率損失最小為設計目標，計算出齒輪泵齒頂最優間隙[1]。但是，在產品生產過程中，還需要考慮零部件的加工精度和整體裝配工藝，設計人員需要在理論最優值和實際生產情況、成本之間綜合考慮該間隙。因此，為了保證油泵的運行穩定性與可靠性，降低裝配難度，齒頂間隙需要適當放大，這時分析和評估齒頂間隙對油泵性能的影響就顯得尤為重要。

1 齒頂間隙對齒輪泵性能影響分析

評判齒輪泵性能的關鍵指標是容積效率，而泵體的內泄漏又決定著齒輪泵的容積效率。齒輪泵的內泄漏的主要途徑主要有三種。一是齒輪泵的端面間隙泄漏。齒輪在泵體內部是高速旋轉部件，為避免齒輪運轉刮蹭齒輪前后端蓋，需要保證齒輪端面與端蓋之間有一定間隙，該間隙成為油液從高壓區向低壓區泄漏的途徑。二是齒頂間隙泄漏。齒輪泵的齒頂與泵體之間同樣存在動靜間隙，同樣構成了油液的泄漏途徑。三是嚙合點泄漏。在齒輪泵工作中，由于齒形加工誤差等原因，有時齒輪傳動嚙合點接觸不好，導致油液從高壓腔通過嚙合點泄漏到低壓腔。

有研究表明，端面間隙泄漏是齒輪泵最主要的內泄漏途徑，占齒輪傳動部位總泄漏量的75%～80%，而齒頂間隙的泄漏占15%～20%，嚙合點的泄漏占4%～5%[2-3]。由此看來，齒頂間隙泄漏對泵體性能的影響并不大，但考慮到核電主油泵的特殊性，人們必須對齒頂間隙的泄漏作進一步的分析。

齒輪泵齒頂間隙兩端存在壓力差，泵殼是靜止部件，齒輪是運行部件，由此構成了小間隙的運動，而油液便在間隙中產生流動，形成另一類層流——縫隙流[4]。縫隙流的基礎理論是平行平面縫隙流，平行平面的流量計算公式為：

式中，Q為流過該間隙的流量（m3/s）；L為該間隙的寬度（m）；B為該間隙的橫向長度（m）；h為該間隙的高度（m）；Δ p為間隙兩端壓差（Pa）；μ為通過間隙的流體粘度（Pa·s）；u0為上板的運行速度（m/s）。

由式（1）可以看出，間隙高度是影響泄漏流量的關鍵，但壓差和間隙橫向長度也是主要影響要素。對于核電主油泵來說，齒輪軸長度遠超常規應用齒輪泵，造成齒輪頂橫向長度與齒寬的比值B/L也遠大于常規油泵，因此，齒輪頂部間隙的內泄漏將會成為又一個影響油泵性能的關鍵因素。

2 改變齒頂間隙的試驗

2.1 試驗目的

通過常規的理論分析可以得出，核電主油泵齒頂間隙對油泵性能的影響不能夠簡單忽略，要擴大齒頂間隙來降低泵體的加工與裝配難度，僅采用數值計算的方法很難準確評估對泵性能的影響，因此只能通過對產品進行性能試驗來判斷。

東方汽輪機有限公司生產的某型號核電主油泵在首次裝配時，齒頂圓周方向平均間隙為0.22mm，為了研究擴大齒頂間隙對泵體性能的影響，通過修磨齒頂的方法將齒頂平均間隙擴大到0.3mm。齒頂修磨前和修磨后均進行全面的性能試驗，通過試驗結果即可明確齒頂間隙擴大后對油泵性能的影響。

2.2 試驗方法

試驗在東方汽輪機有限公司核電主油泵試驗臺上進行，臺位系統如圖2所示。主驅動電機為800kW交流變頻電機，調速范圍0～2000r/min。試驗油箱容積120m3，介質采用VG32號透平油，試驗油溫42～45℃，試驗過程中油泵吸油高度保持在4.5m，與設計需求一致。

圖2 核電主油泵試驗臺系統

試驗臺主要測點包括油泵進出口壓力與溫度、油泵出口排油流量和油泵傳動扭矩。試驗過程中利用電動調節閥和壓力調節閥配合改變油泵出口負載壓力，采用變頻器進行油泵轉速調節，以滿足試驗工藝的要求。

2.3 試驗項目與試驗結果

2.3.1 空載排量試驗

空載排量試驗是指測試泵在不同轉速下保持較低的出口壓力時的排量，該試驗可以比較不同轉速下油泵排量的差異，該試驗結果如圖3所示。

圖3 空載排量對比圖

從圖3可以看出，當泵的齒頂間隙擴大到0.3mm時，排量下降了3%～4.5%，齒頂間隙的擴大對泵的基本性能影響明顯。

2.3.2 額定轉速流量試驗

額定轉速的流量試驗主要是為了測試油泵在額定轉速時，出口“壓力-流量”特性曲線，這是評判和對比油泵運行性能的關鍵曲線，該試驗項目的結果如圖4所示。

圖4 額定轉速時泵的“壓力-流量”特性對比

從圖4可以看出，當齒頂間隙擴大后，油泵在額定工作轉速的出口排量下降1.5%～2%，相當于油泵容積效率也同樣下降1.5%～2%。

2.3.3 自吸性能試驗

核電主油泵的自吸性能試驗主要是為了檢驗泵的吸油能力。試驗過程中，油泵按照電廠汽輪機主軸的升速率升速，當油泵已經順利吸到油液并自主排油時，其達到自吸狀態。該項試驗對電站運行有一定的指導意義，也是評判油泵性能的重點指標之一。試驗結果如表1所示。

表1 油泵自吸性能試驗數據

從試驗數據可以看出，油泵齒頂間隙增加0.08mm使得油泵吸油轉速升高約40%，說明齒頂間隙的大小對油泵的排空能力有非常大影響，擴大齒頂間隙會導致泵的自吸性能大幅度下降。

3 結論

通過理論分析和相關試驗研究可以得出，大型核電機組主油泵的齒頂間隙是影響其運行性能的重要參數之一，當設計人員對齒頂間隙進行調整時，對油泵性能的影響不能簡單忽略，而是應該通過有效的計算手段或者試驗來評估。此外，通過試驗可以發現，齒頂間隙的大小對齒輪泵排空能力和氣密性有較大影響，齒頂間隙偏大會導致油泵自吸轉數偏高。對自吸轉數有嚴格要求的汽輪機主供油泵在設計時應充分考慮該問題。

[1]甘學輝，吳曉玲，候東海.外嚙合斜齒輪泵間隙優化設計[J].機械設計，2002，（4）：30.

[2]張平格，趙喜敏，張偉杰，等.液壓轉動與控制[M].北京：冶金工業出版社，2004：88-90.

[3]陳英，荊寶德，王義強.外嚙合齒輪泵內泄漏理論模型的建立及參數優化[J].機床與液壓，2007，35（10）：108-110.

[4]顧宏韜，張軍，潘嘉明，等.行星齒輪泵泄漏的流場仿真[J].潤滑與密封，2010，35（6）：89-91.