膜法万吨级海水淡化高压泵水润滑陶瓷轴承的设计

杨光 付伟

（郑州电力机械厂，河南郑州 450004）

膜法万吨级海水淡化高压泵水润滑陶瓷轴承的设计

杨光 付伟

（郑州电力机械厂，河南郑州 450004）

膜法万吨级海水淡化高压泵本身的稳定运行，影响到整个系统的可靠性和安全性，直接影响海水淡化的产水成本。基于此，对膜法海水淡化项目的背景、水润滑陶瓷轴承的发展现状，以及轴承设计和工业应用进行研究，对不同直径和间隙的水润滑轴承的承载力进行计算，最终得出满足设计要求的轴承直径和间隙值。同时结合工程实际，提出实际生产中轴承直径的选取。

海水淡化高压泵；陶瓷轴承；水润滑

1 项目背景

世界上淡水不足，已成为人们日益关切的问题。海水淡化是解决水资源危机的重要途径，海水淡化己成为许多沿海国家解决淡水短缺问题，促进经济社会可持续发展的重大战略措施。膜法反渗透海水淡化系统高压泵是反渗透海水淡化技术应用中的关键设备，其安全、稳定、可靠运行是保证膜法海水反渗透工艺安全、稳定、可靠高效运行的前提条件。海水淡化高压泵一般采用轴向吸入的方式，吸入端轴承浸没在海水中，主要承受转子运转时的径向力，轴承采用的润滑剂又不能污染水源。经研究，海水淡化高压泵采用陶瓷轴承，润滑剂采用需淡化的海水，即水润滑陶瓷轴承。

2 水润滑陶瓷轴承的发展现状

水润滑陶瓷轴承国内研究已有一些年，但大部分处于试验阶段，在海水淡化领域用于工业运行的较少。水润滑陶瓷轴承润滑机理为干摩擦的临界摩擦状况，水作为润滑剂与油的性能比较见表1。水与润滑油最大的不同在于粘度，要承受同样的径向力，需要水膜厚度比油膜厚度小得多，过小的水膜间隙，一方面对陶瓷轴承的加工提出更高的要求，另一方面过小的间隙使轴承摩擦处于临界摩擦状态，对摩擦副的材料也提出很高的要求。水润滑主轴的承载能力、刚度都比较低，所以润滑形式的选择、结构设计及制造技术对水润滑轴承极为重要。但水的低粘度带来的好处是，其摩擦功率要远小于油润滑形式时的摩擦功率，理论上水润滑主轴系统的发热量就较小，回转精度也较高。与油相比，水具有更高的比热值，相同情况下摩擦副的温升也更小。因此，当主轴转速很高时水润滑主轴具有更优良的热稳定性。另外，水作为润滑剂没有污染，这也是水润滑轴承在海水淡化领域应用最为突出的优点之一。

表1 水与润滑油性能比较

3 水润滑陶瓷轴承的设计

海水淡化高压泵用陶瓷轴承要求轴承需要一定的强度、抗海水腐蚀性、耐磨性、耐高温性。碳化硅是一种共价键结合的稳定化合物，其具有高强度和高硬度、自润滑作用、摩擦系数小、耐磨和耐蚀、低断裂韧性和低蠕变性，以及良好的高温抗氧化性的综合优良性能。

根据已有研究［1，2］分析，陶瓷轴承采用SiC/SiC全包容结构，即摩擦副中的静环和动环的材质均采用SiC（见图1），这样摩擦副性能好，全包容结构解决了轴承应力集中问题，提高了轴承运行的安全性和稳定性。成本，又不利于泵进口的流动。所以，在制造精度能够保证的情况下逐步减少轴承间隙值。

图2 轴承直径为41mm承载力计算结果

图3 轴承直径为50mm承载力计算结果

图1 水润滑陶瓷轴承

3.1 海水淡化高压泵径向力的计算

海水淡化高压泵结构形式为卧式多级离心泵，轴承上所受的径向力主要是转子的重量、叶轮外周压力分布不均引起的水力径向力和转动件残余不平衡量引起的离心力，考虑水力径向力、离心力方向与转子重力方向相同时，轴承承受的载荷最大。经过计算海水淡化高压泵滑动轴承承受载荷F=705N。

3.2 摩擦副直径和间隙变化对承载力的计算

①轴承间隙为0.1mm，直径分别为41、50、60、70mm。通过计算，承载力结果见图2～5，随着轴承直径的增大，轴承的承载力逐渐增大，但在轴承直径增加到70mm时，轴承的承载力仍然达不到高压泵转子所产生的径向载荷705N。一味地增加直径，既增加了轴承的制造

图4 轴承直径为60mm承载力计算结果

图5 轴承直径为70mm承载力计算结果

②轴承间隙为0.08mm，直径分别为41、50、60、70mm时，承载力见表2。此种情况下，当轴承的直径间隙取0.08mm，轴承的直径取70mm时，轴瓦的承载力达到要求，图6为其对应的最小油膜厚度，为9.41μm。

表2 间隙为0.08mm时轴承承载力

图6 轴承直径70mm、间隙0.08mm承载力计算结果

③轴承间隙为0.05mm，直径分别为41、46、50mm时，承载力见表3。从理论计算上来看，当轴瓦直径间隙取0.05mm，轴承直径取46mm时，即可以达到要求（见图7）。

表3 间隙为0.05mm时轴承承载力

图7 轴承直径46mm、间隙0.05mm承载力计算结果

4 工业应用

工业应用中，考虑制造加工精度及间隙圆周上的非均匀性，采用较大的轴承直径和轴承长度，即在轴承直径为46mm的基础上取一个安全系数1.05～1.10，来保证海水淡化高压泵各种工况运行下的安全性。

碳化硅陶瓷轴承材料比较硬，耐摩擦，但比较脆，在泵的组装过程中，应特别小心，避免磕碰造成陶瓷轴承的损害，增加制造成本［3］。

5 结论

本文对膜法海水淡化高压泵所采用的陶瓷轴承进行设计，对不同直径和不同间隙进行计算，得出满足要求的陶瓷轴承直径和间隙，考虑工业制造的误差和精度，提出实际应用中采用合适的安全系数，保证泵各工况运行下的安全性。

［1］王蕴，刘峰.水润滑陶瓷滑动轴承研究综述［J］.机床与液压，2010（11）：123-126.

［2］李丹，林彬.水润滑陶瓷滑动轴承的研究［J］.现代制造工程，2006（2）：127-130.

［3］关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1998.

Design of High Pressure Pump Water Lubricated Ceramic Bearing with Membrane Method

Yang GuangFu Wei
（Zhengzhou Electric Power Machinery Factory，Zhengzhou Henan 450004）

The stable operation of the high pressure pump with membrane method,which affects the reliability and safety of the whole system,directly affects the cost of water production.Based on this,the background of membrane desalination project,the development status of water lubricated ceramic bearings,bearing design and industrial appli⁃cations were studied,the bearing capacity of water lubricated bearings with different diameters and gaps were calcu⁃lated,finally the bearing diameter and clearance value meeting design requirements were obtained.In combination with the engineering practice,the selection of bearing diameter in actual production was put forward.

seawater desalination high pressure pump；ceramic bearing；water lubrication

TH133.3

A

1003-5168（2016）12-0091-03

2016-11-19

杨光（1976-），女，硕士，高级工程师，研究方向：泵类产品的开发与研究工作；付伟（1976-），男，工程师,研究方向：泵类产品的开发与研究工作。