齒頂間隙對(duì)核電機(jī)組主油泵性能影響的試驗(yàn)研究

李 鑫 袁國(guó)凱

（東方汽輪機(jī)有限公司，德陽(yáng) 618000）

對(duì)于任何一個(gè)以蒸汽輪機(jī)為核心的發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主潤(rùn)滑供油設(shè)備都至關(guān)重要。其供油壓力是否穩(wěn)定、供油流量是否充沛直接關(guān)系到發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的火電機(jī)組多數(shù)采用離心式主油泵為整個(gè)拖動(dòng)軸系供給潤(rùn)滑油。因該類型泵需要一個(gè)外部設(shè)備為其提供合適的入口壓力，所以需要和油渦輪串聯(lián)運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。東方汽輪機(jī)有限公司采用大型外齒嚙合的齒輪泵作為核電機(jī)組的主潤(rùn)滑油泵，可以實(shí)現(xiàn)自吸油和排油，不需要油渦輪來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)，減小了設(shè)備的數(shù)量，提高了運(yùn)行可靠性。

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

圖1 某核電機(jī)組齒輪泵泵軸

在齒輪泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常利用數(shù)值計(jì)算來(lái)求取最優(yōu)徑向間隙，以總的功率損失最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算出齒輪泵齒頂最優(yōu)間隙[1]。但是，在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，還需要考慮零部件的加工精度和整體裝配工藝，設(shè)計(jì)人員需要在理論最優(yōu)值和實(shí)際生產(chǎn)情況、成本之間綜合考慮該間隙。因此，為了保證油泵的運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性，降低裝配難度，齒頂間隙需要適當(dāng)放大，這時(shí)分析和評(píng)估齒頂間隙對(duì)油泵性能的影響就顯得尤為重要。

1 齒頂間隙對(duì)齒輪泵性能影響分析

評(píng)判齒輪泵性能的關(guān)鍵指標(biāo)是容積效率，而泵體的內(nèi)泄漏又決定著齒輪泵的容積效率。齒輪泵的內(nèi)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(nèi)部是高速旋轉(zhuǎn)部件，為避免齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)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(qū)向低壓區(qū)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(dòng)靜間隙，同樣構(gòu)成了油液的泄漏途徑。三是嚙合點(diǎn)泄漏。在齒輪泵工作中，由于齒形加工誤差等原因，有時(shí)齒輪傳動(dòng)嚙合點(diǎn)接觸不好，導(dǎo)致油液從高壓腔通過(guò)嚙合點(diǎn)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(nèi)泄漏途徑，占齒輪傳動(dòng)部位總泄漏量的75%～80%，而齒頂間隙的泄漏占15%～20%，嚙合點(diǎn)的泄漏占4%～5%[2-3]。由此看來(lái)，齒頂間隙泄漏對(duì)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(duì)齒頂間隙的泄漏作進(jìn)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(yùn)行部件，由此構(gòu)成了小間隙的運(yùn)動(dòng)，而油液便在間隙中產(chǎn)生流動(dòng)，形成另一類層流——縫隙流[4]?？p隙流的基礎(chǔ)理論是平行平面縫隙流，平行平面的流量計(jì)算公式為：

式中，Q為流過(guò)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(zhǎng)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(guò)間隙的流體粘度（Pa·s）；u0為上板的運(yùn)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(guān)鍵，但壓差和間隙橫向長(zhǎng)度也是主要影響要素。對(duì)于核電主油泵來(lái)說(shuō)，齒輪軸長(zhǎng)度遠(yuǎn)超常規(guī)應(yīng)用齒輪泵，造成齒輪頂橫向長(zhǎng)度與齒寬的比值B/L也遠(yuǎn)大于常規(guī)油泵，因此，齒輪頂部間隙的內(nèi)泄漏將會(huì)成為又一個(gè)影響油泵性能的關(guān)鍵因素。

2 改變齒頂間隙的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)常規(guī)的理論分析可以得出，核電主油泵齒頂間隙對(duì)油泵性能的影響不能夠簡(jiǎn)單忽略，要擴(kuò)大齒頂間隙來(lái)降低泵體的加工與裝配難度，僅采用數(shù)值計(jì)算的方法很難準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)泵性能的影響，因此只能通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能試驗(yàn)來(lái)判斷。

東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的某型號(hào)核電主油泵在首次裝配時(shí)，齒頂圓周方向平均間隙為0.22mm，為了研究擴(kuò)大齒頂間隙對(duì)泵體性能的影響，通過(guò)修磨齒頂?shù)姆椒▽X頂平均間隙擴(kuò)大到0.3mm。齒頂修磨前和修磨后均進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果即可明確齒頂間隙擴(kuò)大后對(duì)油泵性能的影響。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在東方汽輪機(jī)有限公司核電主油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，臺(tái)位系統(tǒng)如圖2所示。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)為800kW交流變頻電機(jī)，調(diào)速范圍0～2000r/min。試驗(yàn)油箱容積120m3，介質(zhì)采用VG32號(hào)透平油，試驗(yàn)油溫42～45℃，試驗(yàn)過(guò)程中油泵吸油高度保持在4.5m，與設(shè)計(jì)需求一致。

圖2 核電主油泵試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)點(diǎn)包括油泵進(jìn)出口壓力與溫度、油泵出口排油流量和油泵傳動(dòng)扭矩。試驗(yàn)過(guò)程中利用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)閥配合改變油泵出口負(fù)載壓力，采用變頻器進(jìn)行油泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足試驗(yàn)工藝的要求。

2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目與試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 空載排量試驗(yàn)

空載排量試驗(yàn)是指測(cè)試泵在不同轉(zhuǎn)速下保持較低的出口壓力時(shí)的排量，該試驗(yàn)可以比較不同轉(zhuǎn)速下油泵排量的差異，該試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 空載排量對(duì)比圖

從圖3可以看出，當(dāng)泵的齒頂間隙擴(kuò)大到0.3mm時(shí)，排量下降了3%～4.5%，齒頂間隙的擴(kuò)大對(duì)泵的基本性能影響明顯。

2.3.2 額定轉(zhuǎn)速流量試驗(yàn)

額定轉(zhuǎn)速的流量試驗(yàn)主要是為了測(cè)試油泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，出口“壓力-流量”特性曲線，這是評(píng)判和對(duì)比油泵運(yùn)行性能的關(guān)鍵曲線，該試驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)果如圖4所示。

圖4 額定轉(zhuǎn)速時(shí)泵的“壓力-流量”特性對(duì)比

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

2.3.3 自吸性能試驗(yàn)

核電主油泵的自吸性能試驗(yàn)主要是為了檢驗(yàn)泵的吸油能力。試驗(yàn)過(guò)程中，油泵按照電廠汽輪機(jī)主軸的升速率升速，當(dāng)油泵已經(jīng)順利吸到油液并自主排油時(shí)，其達(dá)到自吸狀態(tài)。該項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)電站運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義，也是評(píng)判油泵性能的重點(diǎn)指標(biāo)之一。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 油泵自吸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，油泵齒頂間隙增加0.08mm使得油泵吸油轉(zhuǎn)速升高約40%，說(shuō)明齒頂間隙的大小對(duì)油泵的排空能力有非常大影響，擴(kuò)大齒頂間隙會(huì)導(dǎo)致泵的自吸性能大幅度下降。

3 結(jié)論

通過(guò)理論分析和相關(guān)試驗(yàn)研究可以得出，大型核電機(jī)組主油泵的齒頂間隙是影響其運(yùn)行性能的重要參數(shù)之一，當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)齒頂間隙進(jìn)行調(diào)整時(shí)，對(duì)油泵性能的影響不能簡(jiǎn)單忽略，而是應(yīng)該通過(guò)有效的計(jì)算手段或者試驗(yàn)來(lái)評(píng)估。此外，通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，齒頂間隙的大小對(duì)齒輪泵排空能力和氣密性有較大影響，齒頂間隙偏大會(huì)導(dǎo)致油泵自吸轉(zhuǎn)數(shù)偏高。對(duì)自吸轉(zhuǎn)數(shù)有嚴(yán)格要求的汽輪機(jī)主供油泵在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該問(wèn)題。

[1]甘學(xué)輝，吳曉玲，候東海.外嚙合斜齒輪泵間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2002，（4）：30.

[2]張平格，趙喜敏，張偉杰，等.液壓轉(zhuǎn)動(dòng)與控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004：88-90.

[3]陳英，荊寶德，王義強(qiáng).外嚙合齒輪泵內(nèi)泄漏理論模型的建立及參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)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(chǎng)仿真[J].潤(rùn)滑與密封，2010，35（6）：89-91.