护管式清水润滑导轴承在大型立式水泵上的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:剑气书生

1、问题的提出

         立式水泵机组,由于结构、制造、安装误差、来流等各方面原因,运行时主轴和叶轮受径向力作用,水泵导轴承起着稳定泵轴和叶轮的作用。导轴承最早采用橡胶材料,河水润滑。随着水泵向大型化发展,转动部分的不平衡径向力随之增大,尽管后来又采用了耐磨性能更好的聚胺酯等其它材料,并采用清水润滑,但效果不好,轴承材料极易磨损,河水水质差时运行寿命只有数百小时。检查发现,被磨损轴承内壁嵌有大量沙粒,说明清水装置密封效果不好,河水中泥沙仍会进入轴承。所以,后来在大型立式水泵中普遍采用油润滑巴氏合金导轴承,增加其承载抗磨能力。但油轴承结构复杂、成本高,致命的缺点就是下面的水密封装置不可靠,经常失效大量漏水,而致轴承浸水受损。考虑到清水润滑导轴承,只要保证河水中泥沙不进入,其运行寿命就有可能大大延长。分析其问题所在,对其结构进行改进,将油轴承改为水轴承。

2、两种清水润滑轴承结构比较

2.1、橡皮板密封清水润滑导轴承

         传统的橡皮板密封清水润滑导轴承考虑到河水润滑泥沙磨损比较严重,在轴承顶部设清水箱,供以压力清水润滑(如图1)。这种结构在多泥沙泵站效果仍不理想,泵体内河水中的泥沙仍会进入轴承,破坏轴衬和轴颈。其原因是水体由下部经导叶槽流出后,过流断面突然扩大,在清水箱顶部形成回流区,水流速度减缓,水中泥沙受重力作用沉积下来,并经橡皮板密封间隙落入清水箱和轴承间隙,起磨料作用损坏轴承。

橡皮板密封清水润滑导轴承 

图1 橡皮板密封清水润滑导轴承

2.2、护管式清水润滑轴承

         护管式清水润滑轴承,保留原油轴承水泵导叶体后导水锥及泵轴护管,在泵体外护管上端与泵轴之间增设动水密封装置,通过叶片内预埋管或护管上部向导轴承供以清水,压力大于泵内水体,清水沿轴承内壁水槽向下流动,形成润滑(图2)。这种结构与传统的橡皮板密封清水润滑结构相比,轴承上部完全与泵内水体隔绝开,能够保证河水中泥沙不会进入轴承,使轴承有很好的润滑条件。这与真空技术网之前介绍的小型立轴导叶式泵抽送泥沙水的防护措施恰好一致。

护管式清水润滑导轴承

图2 护管式清水润滑导轴承

3、油轴承改为水轴承的应用实例

3.1、应用背景

          江苏省江都第三抽水站装机ZL13.5—8大型立式水泵配套1600kW立式可逆变极电机10台套,水泵叶轮直径D=2.0m,设计扬程8m,设计流量13.5m3s。水泵采用双毕托管式油润滑合金轴承,轴承设于导叶体轮毂内,轮毂下部采用梳齿迷宫环密封装置,轮毂上部与对开型后导水锥及固定的护管连接,护管设于泵轴外侧并穿出泵盖,护管外壁与泵盖间设静水封,护管内侧与泵轴之间与大气相通,阻止泵内水体进入导叶体轮毂腔损坏油轴承。

        这种轴承应用过程中经常发生故障,主要表现为:

       (1)自循环输油毕托管常折断,轴承体底部转动油盆的润滑油无法到达上油箱,轴承与轴颈发生干摩擦而损坏;

       (2)轴承下部梳齿迷宫环密封泄漏量大,漏水排水不及,导叶体轮毂内泄漏水水位上升,超过允许最高水位而致轴承浸水受损。每台水泵都发生过此类故障,平均每台发生4次左右,最多的超过10次,而且往往发生在排涝抗旱紧张阶段,不得不抢修更换轴承,有时还需将机组全部拆开,吊出泵轴对轴颈进行喷镀处理,由于时间短、人力紧、环境差(其它机组仍在运行),抢修机组的质量很难得到保证,往往连续发生故障,严重影响机组的可靠性和设备完好率,增加检修费用和工人劳动强度。

       鉴于上述情况,于1972年前后将3#、8#水泵油润滑轴承改为水润滑轴承后分别于1996年和1997年进行全面解体检查、周期性大修。当时已运行15年,运行时数达50000h,超过7~10年的大修周期,其间水泵工作状态一直良好(其它水泵油轴承15年期间平均每台检修2~3次),解体后检查测量轴承磨损仅1mm,机组运行可靠性和水泵轴承寿命都大大提高,节省了维修费用,取得了较好的经济效益。

       相反,第四抽水站一台轴承油润滑改成水润滑的水泵,在短短的一年多时间内,轴承发生3次故障而大修,最严重的是1991年大水紧张排涝期间,轴承磨损至轴承体,轴承体反过来又将泵轴颈拉出1~2mm深的凹痕,并发生叶片碰壳。之所以出现这种情况,主要是去除了泵轴护管,采用河水润滑,而河水含沙量较大。此外,水泵更大(D=3.1m),轴承承受的径向力也更大,是造成轴承损坏的又一原因。

4、大型立式水泵采用水润滑轴承应该注意的主要问题

         叶轮直径2m以上的立式水泵油润滑轴承改用水润滑轴承,具有可靠性好、成本低、安装维护方便等优点。该轴承同时也适用于新设计制造的大型立式水泵。但由于转动部件径向不平衡力大,而水润滑轴承采用的非金属材料承载能力与巴氏合金相比相对较差,耐磨能力与润滑水质关系极大,使用应注意以下问题。

4.1、采用护管式清水润滑结构

        实践证明,护管式清水润滑轴承能够有效防止泥沙进入轴承,采用这种结构,润滑清水必须具有足够的流量和压力,保证清水润滑。在泵体外护管与泵轴之间设动水封,该处泵轴摆度及护管内侧与泵轴的同轴度应符合要求。否则,泵轴水封效果不好,润滑清水大量泄漏,而致水压不能形成,而且大量漏水还会造成排水、环境问题,甚至冒出的水柱危及上面的电机。

4.2、合理设计轴承

          要合理设计轴承,首先要确定合理的轴承设计载荷。水泵导轴承实际载荷由配套电机电磁不平衡力、机组转动部件机械不平衡力和水泵水力不平衡力构成。笔者通过对轴承载荷影响因素的全面分析,提出了设计载荷的确定方法。设计载荷确定后,选用承载及耐磨能力强的非金属轴承材料,轴承结构特别是润滑水槽尺寸,要满足材料承压面积和轴承润滑能力两方面要求。

4.3、减小导轴承载荷

        泵机组部件制造安装质量误差及有关结构是造成水泵导轴承载荷的根本原因。减小轴承载荷的途径有:提高电机空气间隙对称均匀程度:减小转动部件偏心质量;设置泵轴护管,同时可以消除泵轴绕流阻力;测量调整叶片角度一致,减小角度误差;设计高质量的进水流道,减小叶轮来流非轴对称。特别是机组安装时,尽可能减小安装误差,注意控制安装误差方向,使其造成的轴承各分载荷作用方向相反,相互抵消,可以大大减小轴承实际工作载荷,延长轴承使用寿命。

5、结论

         与轴承相比,大型立式水泵采用护管式清水润滑轴承,其能够阻止泵抽引水体泥沙进入轴承,因而不但具有投资省、维护方便的优点,而且可靠性好,工作寿命长。只要设计合理,保证润滑清水水质、压力和流量,提高安装质量,减小轴承工作载荷,保证护管与泵轴之间的水封性能,护管式清水润滑轴承在低扬程大型立式水泵中有推广应用价值。

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