大型立式轴流泵导轴承荷载分析计算

大型立式轴流泵导轴承荷载分析计算

发布时间：2010.11.28 新闻来源：仇宝云浏览次数：

【摘要】研究大型立式轴流泵导轴承荷载的影响因素，提出荷载计算方法。以ZL307型水泵(叶轮直径D=3.1 m)导轴承为例，对其荷载进行了计算。造成导轴承荷载的主要因素有：电机空气间隙不对称、叶轮非轴对称来流、叶轮质心偏离转动中心和叶片角度不等。本研究能为导轴承设计提供荷载依据，对减小导轴承荷载、提高可靠性和运行寿命有很大意义。

叙词：立式泵轴流泵导轴承荷载分析计算

中图分类号：S277.9+2文献标识码：A Analysis and Calculation of Loading on a Pilot Bearing of Large, Vertical, Axial-flow Pump

Qiu Baoyun

(Yangzhou University)

Abstract

The 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 impellor 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-symmetrical 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 pumps, Axial-flow pumps, Pilot bearing, Load, Analyses, Calculation

引言

我国低扬程大型水泵站绝大部分采用立式轴流泵机组。理想对称情况下，机组转动部分不受横向力(方向垂直于轴线)作用，水泵导轴承荷载为零。但由于设计制造、安装施工不可避免地存在误差及某些结构问题，转动部分常受横向力作用。水泵导轴承起着承受横向力、稳定叶轮转动的作用，是水泵重要的易磨易损部件，常发生故障或磨损加剧，影响水泵的可靠性和耐久性。

立式水力机组导轴承荷载主要由电机不平衡磁拉力、转动部件偏心质量旋转惯性离心力和水力不平衡力引起，但这方面的研究报道不多。一些资料认为，水力不平衡力及不平衡磁拉

力分别与主轴扭矩、电机转子外径及定子铁芯长度有关。

1 导轴承荷载影响因素分析

大型立式轴流泵机组结构见图1。电机上机架内设有推力轴承和上导轴承，下机架内设有下导轴承，水泵大都只在导叶体轮毂内设有一只导轴承(只有弯管式水泵在弯管上部设有上导轴承，而该轴承的径向间隙较大，通常不受力)。电机上导轴承间隙很小，单边为0.06～0.08 mm，下导轴承间隙较大，双边0.20 mm左右［1］。导轴承荷载由运行时转子、泵轴及叶轮所受垂直于轴线方向的横向力引起。下面仅考虑电机上导轴承与水泵导轴承受力，而电机下导轴承不受力的最不利情况下，转动部件各横向力引起的水泵导轴承荷载(径向力)。

图1 大型立式泵机组结构简图

1.电机上导轴承

2.电机推力轴承

3.定子

4.转子

5.电机下导轴承

6.水泵出水弯管

7.泵轴

8.水泵导

轴承9.导叶体10.叶轮11.混凝土进水流道

1.1 电机空气间隙不对称的影响

若电机转子在定子内偏心，则造成空气间隙不对称，产生定子对转子的不平衡磁拉力。文献［2］提供了不平衡磁拉力解析计算式

(1)

式中(2)

(3)

(4)

H d——定子铁芯高度

——气隙平均磁通密度

R d、R z——定子内径半径和转子外径半径

μ0——空气磁导率

e——转子偏心距，e最大允许值为0.05δ(δ为电机平均空气间隙值)

F c引起的泵导轴承径向力为

(5)

式中L、L c——电机上导轴承至水泵导轴承及转子中心的高度(见图1)

1.2 转动部件质心偏离转动中心的影响

以下因素会造成转动部件质心偏离转动中心：① 制造质量问题。转动件不均质、几何不对称，质心偏离几何中心。② 安装质量问题。轴及叶轮安装摆度使几何中心偏离转动中心。③ 由于导轴承径向间隙的存在，以及前两因素导致的横向力，使刚性轴运转后转动部件质心偏心值大于静止状态。④运行时，电机轴线、转子温度场不对称，引起变形、弯曲，造成弓形旋转，质心偏心距变化。

1.2.1 轴线偏心

如图2,建立以电机上导轴承中心为原点，垂直向下的主轴转动中心为oz轴的坐标系，机组轴线上任一点在水平面内的偏心距r=r(z),矢径r与x轴夹角为θ(z)。设轴线均质，单位轴长质量为m0,主轴转动角速度为ω。主轴偏心造成的轴颈对泵导轴承的径向力分量、合力大小及与x轴正向夹角分别为

(6)

(7)

(8)

（9)

式中L0——电机上导轴承至叶轮中心的轴长

图2 泵机组轴线倾斜偏心

安装要求轴线相对倾斜值r/L0≤0.025 mm/m(转速

n≤250 r/min)。

1.2.2 电机转子质心偏心