大型立式軸流泵導(dǎo)軸承荷載分析計算

1、大型立式軸流泵導(dǎo)軸承荷載分析計算發(fā)布時間：2010.11.28新聞來源：仇寶云 瀏覽次數(shù)：【摘要】 研究大型立式軸流泵導(dǎo)軸承荷載的影響因素，提出 荷載計算方法。以ZL307型水泵(葉輪直徑D=3.1 m)導(dǎo)軸承為 例，對其荷載進行了計算。造成導(dǎo)軸承荷載的主要因素有：電 機空氣間隙不對稱、葉輪非軸對稱來流、葉輪質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動中 心和葉片角度不等。本研究能為導(dǎo)軸承設(shè)計提供荷載依據(jù)，對 減小導(dǎo)軸承荷載、提高可靠性和運行壽命有很大意義。敘詞：立式泵軸流泵導(dǎo)軸承荷載分析計算中圖分類號：S277.9+2文獻標識碼：AAnalysis and Calculation of Loading on a Pilot

2、 Bearingof Large, Vertical, Axial-flow PumpQiu Baoyun(Yangzhou University)AbstractThe contributing factors of loading on pilot bearing of a large, vertical, axial-flow pump were investigated and a calculating method of the loading was developed. As an example, the bearing load of ZL307 pump (with im

3、pellor diameter of 3.1 m) was calculated by the method. The analysis and calculation indicate that the loading of the pilot bearing is mainly created by manufacturing and installing errors, non-symmetrical flow in front of the impellor and flow drag on pump axle and the major factors include non-sym

4、metrical air gap of the vertical shaft motor, non-symmetrical flow in front of the impellor, the swing of the impellor and unequal blade angles. This study lays the foundation of design of pump bearing and is helpful in improving, the reliability and working life of a pump bearing.Key words Vertical

5、 pumps, Axial-flow pumps, Pilot bearing, Load, Analyses, Calculation引言我國低揚程大型水泵站絕大部分采用立式軸流泵機組。理 想對稱情況下，機組轉(zhuǎn)動部分不受橫向力（方向垂直于軸線）作 用，水泵導(dǎo)軸承荷載為零。但由于設(shè)計制造、安裝施工不可避 免地存在誤差及某些結(jié)構(gòu)問題，轉(zhuǎn)動部分常受橫向力作用。水 泵導(dǎo)軸承起著承受橫向力、穩(wěn)定葉輪轉(zhuǎn)動的作用，是水泵重要 的易磨易損部件，常發(fā)生故障或磨損加劇，影響水泵的可靠性 和耐久性。立式水力機組導(dǎo)軸承荷載主要由電機不平衡磁拉力、轉(zhuǎn)動 部件偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)慣性離心力和水力不平衡力引起，但這方面 的研究報

6、道不多。一些資料認為，水力不平衡力及不平衡磁拉 力分別與主軸扭矩、電機轉(zhuǎn)子外徑及定子鐵芯長度有關(guān)。1導(dǎo)軸承荷載影響因素分析大型立式軸流泵機組結(jié)構(gòu)見圖1。電機上機架內(nèi)設(shè)有推力軸 承和上導(dǎo)軸承，下機架內(nèi)設(shè)有下導(dǎo)軸承，水泵大都只在導(dǎo)葉體 輪轂內(nèi)設(shè)有一只導(dǎo)軸承（只有彎管式水泵在彎管上部設(shè)有上導(dǎo) 軸承，而該軸承的徑向間隙較大，通常不受力）。電機上導(dǎo)軸承 間隙很小，單邊為0.060.08 mm，下導(dǎo)軸承間隙較大，雙邊 0.20 mm左右。導(dǎo)軸承荷載由運行時轉(zhuǎn)子、泵軸及葉輪所受 垂直于軸線方向的橫向力引起。下面僅考慮電機上導(dǎo)軸承與水 泵導(dǎo)軸承受力，而電機下導(dǎo)軸承不受力的最不利情況下，轉(zhuǎn)動 部件各橫向力引起的

7、水泵導(dǎo)軸承荷載（徑向力）。圖1大型立式泵機組結(jié)構(gòu)簡圖1.電機上導(dǎo)軸承2.電機推力軸承3.定子4.轉(zhuǎn)子5.電機下導(dǎo)軸承6.水泵出水彎管7.泵軸8.水泵導(dǎo)軸承9.導(dǎo)葉體10.葉輪11.混凝土進水流道1.1電機空氣間隙不對稱的影響若電機轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)偏心，則造成空氣間隙不對稱， 產(chǎn)生定子對轉(zhuǎn)子的不平衡磁拉力。文獻2提供了不平 衡磁拉力解析計算式F =，*一代耳】/尺，+葺-/ (1)式中-Hd定子鐵芯高度氣隙平均磁通密度Rd、Rz定子內(nèi)徑半徑和轉(zhuǎn)子外徑半徑M 0空氣磁導(dǎo)率e轉(zhuǎn)子偏心距，e最大允許值為0.056 (6為電機平均空氣間隙值)F引起的泵導(dǎo)軸承徑向力為(5)式中L、Lc電機上導(dǎo)軸承至水泵導(dǎo)軸承

8、及轉(zhuǎn)子中心 的高度(見圖1)1.2轉(zhuǎn)動部件質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動中心的影響以下因素會造成轉(zhuǎn)動部件質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動中心：制 造質(zhì)量問題。轉(zhuǎn)動件不均質(zhì)、幾何不對稱，質(zhì)心偏離幾何 中心。安裝質(zhì)量問題。軸及葉輪安裝擺度使幾何中心 偏離轉(zhuǎn)動中心。由于導(dǎo)軸承徑向間隙的存在，以及前 兩因素導(dǎo)致的橫向力，使剛性軸運轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)動部件質(zhì)心偏心 值大于靜止狀態(tài)。運行時，電機軸線、轉(zhuǎn)子溫度場不 對稱，引起變形、彎曲，造成弓形旋轉(zhuǎn)，質(zhì)心偏心距變化。1.2.1軸線偏心如圖2,建立以電機上導(dǎo)軸承中心為原點，垂直向下 的主軸轉(zhuǎn)動中心為oz軸的坐標系，機組軸線上任一點在 水平面內(nèi)的偏心距r=r(z)，矢徑r與x軸夾角為0 (z)。 設(shè)軸線均質(zhì)，

9、單位軸長質(zhì)量為m,主軸轉(zhuǎn)動角速度為3。 主軸偏心造成的軸頸對泵導(dǎo)軸承的徑向力分量、合力大小 及與x軸正向夾角分別為 式中L0電機上導(dǎo)軸承至葉輪中心的軸長圖2泵機組軸線傾斜偏心安裝要求軸線相對傾斜值r/LW0.025 mm/m(轉(zhuǎn)速nW250 r/min)。1.2.2電機轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏心設(shè)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動中心七，轉(zhuǎn)子質(zhì)量mz，轉(zhuǎn)子 質(zhì)心偏心旋轉(zhuǎn)慣性離心力引起的水泵導(dǎo)軸承徑向力為(10)由于軸線擺度、磁極不對稱和磁軛材質(zhì)不均勻及溫度 場不對稱等因素造成轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏心。通常，轉(zhuǎn)子可能的最 大偏心質(zhì)量離心力按平衡試加重所產(chǎn)生的離心力確定，其 值為轉(zhuǎn)子質(zhì)量的0.5%2.5%,即 F(0.5%2.5%)m

10、g (11)式中 g重力加速度式(11)中系數(shù)的取值，低速機組取小值，高速機組取 大值。大型立式水泵機組與水輪機相比屬高速機組。1.2.3水泵葉輪質(zhì)心偏心葉輪偏心質(zhì)量慣性離心力引起的水泵導(dǎo)軸承徑向力為式中 m葉輪質(zhì)量rt葉輪質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動中心的距離矢徑由葉輪材質(zhì)不均勻和制造誤差引起的質(zhì)心偏 離幾何中心矢徑r。,和葉輪擺度引起的幾何中心偏離轉(zhuǎn)動 中心矢徑ro合成,兩矢量在水平面內(nèi)相加，即r =r , +r (13)按要求，葉輪靜平衡試驗按飛逸時不平衡慣性離心力 不超過葉輪重量的2%控制，即r , 3 2f m W0.02m g即、f M (14)式中3 f機組飛逸角速度ro為葉輪動擺度值的一半，動

11、擺度與水泵導(dǎo)軸承間隙 有關(guān)，故r。值為r =Sk/2=(A 2七)/2(15)式中 t導(dǎo)軸承雙邊間隙bm潤滑油膜或水膜厚度sk葉輪動擺度1.3橫向水力不平衡力的影響1.3.1泵軸繞流阻力立式水泵采用彎管出水，彎管圓心角根據(jù)需要確定， 常采用n /3或n /2。采用水潤滑導(dǎo)軸承的水泵，彎管內(nèi) 泵軸裸露受出水繞流阻力的作用，從而造成水泵導(dǎo)軸承徑 向力。見圖1，彎管中心線彎曲半徑為R,泵軸外徑為d,彎 管內(nèi)水流速度為vc，泵導(dǎo)軸承中部至彎管起始斷面的高度 為匕，泵軸繞流長度為匕，取距彎管起始斷面為y (對應(yīng)彎管圓心角為a )處微段泵軸dy。此外，水體密度為p , 泵軸繞流阻力系數(shù)為cd,cd與繞流物

12、體形狀和雷諾數(shù)有 關(guān),可查曲線得到。則繞流阻力引起的導(dǎo)軸承徑向力為采用油潤滑合金導(dǎo)軸承的水泵,泵軸外設(shè)有對開型護管，泵軸不受繞流阻力作用。1.3.2水泵葉片角度不等由于組裝誤差，導(dǎo)致水泵葉輪數(shù)枚葉片角度不等，將 所有葉片周向水流阻力向泵軸軸心簡化，其結(jié)果除水力阻 力矩外，還存在垂直于軸線的徑向水力不平衡力，該力為 所有葉片周向水流阻力的矢量和，即式中m葉輪葉片數(shù)Pui第i枚葉片水流周向阻力Pui與 Pui+1 (i=1,2，,m-1)夾角為 2n /m。Pui可以采用以下方法計算：已知水泵運行揚程為H，第1枚葉片角度為a i，認為Pui即為相同泵揚程下所有葉片角度都為a i時的單枚葉片 阻力,

13、即式中Nh泵水力功率N軸功率,可由泵性能曲線查得泵機械效率,n m=0.950.97n水泵轉(zhuǎn)速R、顯然Rh葉輪及輪轂半徑角度大的葉片七亦大。 Pu引起的導(dǎo)軸承徑向力為(19)般廠家規(guī)定，葉片角度彼此差異最大為1。1.3.3葉輪非軸對稱來流從設(shè)計角度考慮，軸流泵葉輪要求來流軸向均勻。但 由于流道設(shè)計理論的局限性、流道垂直段高度限制(為減 小站房基坑開挖深度)和施工誤差等原因，葉輪來流往往 非軸對稱，五孔球探針對大型水泵葉輪來流流場現(xiàn)場測定 表明，總流與軸向平均夾角Y為24。4】，水流經(jīng)過 葉輪后成為軸對稱，據(jù)動量方程可求得該來流作用于葉輪 的橫向力形成對水泵導(dǎo)軸承的徑向力為一 (20)式中Q泵流

14、量Vj葉輪來流總流流速2導(dǎo)軸承荷載確定方法及舉例2.1導(dǎo)軸承荷載確定2.1.1工作荷載在電機負荷確定的情況下，導(dǎo)軸承分荷載F1與電機 相對面最大氣隙差值及其所在方位有關(guān)。根據(jù)造成氣隙不 均的原因，該方位分為隨電機轉(zhuǎn)動變化與不變化兩種情 形。轉(zhuǎn)動部件偏心引起的分荷載F2、七、F4及葉輪角度不 等引起的七方向隨主軸轉(zhuǎn)動周期性變化。而七、F7方向分 別與水泵出流方向、葉輪來流偏流方向相同，方向不隨主 軸轉(zhuǎn)動變化。所有分荷載組成水平面內(nèi)的平面匯交力系。 對安裝好的機組，各部誤差已經(jīng)確定，某時刻各分荷載大 小及方向可以確定，總荷載按所有分荷載進行矢量合成， 即*(21)工作總荷載F大小及方向都隨時間而變

15、。 w2.1.2設(shè)計荷載在設(shè)計水泵導(dǎo)軸承時，一方面因機組制造、安裝誤差 未知，無法確定實際工作荷載大??；另一方面，實際工作 荷載大小及方向隨時間而變，即使對確定的安裝好的機組 也難以用表達式準確表示出其與時間的關(guān)系。事實上，該 關(guān)系并不重要。機組各部分制造安裝誤差大小和方向都是隨機的，對水泵導(dǎo)軸承，重要的是確定可能的最大工作荷 載，以便以此為依據(jù)設(shè)計導(dǎo)軸承（偏于保守）。最不利的情 況就是引起各分荷載的誤差達最大允許值，并且所有分荷 載方向相同，此時總荷載最大，即式中Fd設(shè)計荷載Fj max第i項分荷載最大值2.2導(dǎo)軸承設(shè)計荷載計算舉例ZL307型立式軸流泵配TL300040/3250型3 00

16、0 kW立式同步電動機，轉(zhuǎn)速n=150 r/min，葉輪直徑D=3.1 m， 輪轂直徑Dh=1.668 m，轉(zhuǎn)輪重14 t，泵軸重12 t，轉(zhuǎn)子連軸重19 t。電機定子鐵芯高度H =0.681 m，定子內(nèi)徑dD=2.94m，平均空氣間隙6 =4.5 mm，平均磁密B=0.75T， d轉(zhuǎn)子偏心距e=0.225mm。各段軸線長度為L =1.3 m,L=11.8 cm,L0=13.15 m,L =3.4 m,L1.2 m。出水彎管中心線彎曲半徑R =4.2 m,泵揚程H=7 m,泵流量Q=30 m/s。葉輪有4 c枚葉片，一枚葉片角度為-1，其余三枚葉片角度均為0。葉輪動擺度S =0.35 mm，轉(zhuǎn)

17、子及葉輪質(zhì)心幾何偏心 k方向與擺度方向相同葉輪來流與軸向夾角Y =3。計算結(jié)果如下:F=10.394 kN1F =0.344 kN2七二0.331 kNF4=1.906 kNF5=0.499 kNF6=1.554 kNF =6.954 kN7F =21.982 kNd由計算結(jié)果看出，電機空氣間隙對稱均勻度、葉輪來 流方向、葉輪質(zhì)心偏心和葉片角度不等對導(dǎo)軸承荷載影響 較大。3結(jié)語大型立式軸流泵導(dǎo)軸承荷載影響因素多，關(guān)系復(fù)雜， 隨機性大。通過對泵機組轉(zhuǎn)動部件橫向力分析，本文提出 了導(dǎo)軸承荷載計算方法，根據(jù)制造安裝誤差要求及結(jié)構(gòu)， 可以對導(dǎo)軸承最大可能荷載進行預(yù)測，為導(dǎo)軸承設(shè)計提供 依據(jù)。導(dǎo)軸承荷載與機組制造安裝質(zhì)量、結(jié)構(gòu)型式及進水流 道等因素有關(guān)，其中電機空氣間隙對稱均勻度、葉輪進水 流道來流方向、葉輪質(zhì)心偏心和葉片角度不等的影響較 大。為減小導(dǎo)軸承荷載，應(yīng)嚴格控制諸方面質(zhì)量，特別要 注意使各因素引起的導(dǎo)軸承徑向力方向相反，以相互抵 消。同一型號機組，制造安裝質(zhì)量不同，水泵導(dǎo)軸承實際 工作荷載差異很大。本文對立式軸流泵導(dǎo)軸承荷載的分析，