多级离心泵升速流程操作优化

刘 磊，罗绍华，王方萍，赵建琳，魏 平

（重庆水泵厂有限责任公司国家企业技术中心，重庆 400033）

0 引言

由于离心泵工作时满足连续性方程[1]的特点，理论上在允许工作范围内的使用点能通过调节转速来覆盖。现有某航天动力研究所水泵单元2 试验用高压多级离心泵，在现场调试过程中，采用变频调速装置（VFDS）[2]进行调节，通过改变电机转速使泵的特性曲线发生变化，从而调节流量。但在调节转速过程中，出现了非驱动端轴承温度急剧升高的现象，轴承排气孔中冒出烟雾。停车拆检发现泵非驱动端推力轴承烧毁（图1）。

图1 烧毁的轴承

1 原因分析

1.1 要因确定

该泵为BB3 型多级离心泵结构，转子中10级叶轮对称布置，理论上前后叶轮所产生的轴向力通过自身进行平衡，所以泵在正常时转子总轴向力理论上不大。

离心泵的工作流量范围可以分成两个区：一个称为“最优工作区”或“优先工作区”，在此区范围内，泵运行稳定，振动低；另一个称为“允许工作区”，在此区范围内的流量下运行泵的振动较高，但仍然是“可以接受”的水平，以及此区内的上限输入功率低于配套电机的输出功率。

离心泵在启动时，泵的出口管路内还没水，因此还不存在管路阻力和提升高度阻力，因此离心泵启动后，离心泵扬程很低，流量很大，此时泵电机（轴功率）输出很大（据泵性能曲线），很容易超载，就会使泵的电机及线路损坏，因此启动时要关闭出口阀，才能使泵正常运行。

在排除润滑等因素的情况下，最可能原因是在相同转速下轴承过载，即无法承受超过其承载范围内的载荷，导致短时间温度急剧上升、润滑油黏度下降，失去润滑冷却效果，最终导致轴承快速失效。轴承所承受的载荷主要来源于两个方面：

（1）整个转子重量而产生的径向力：该载荷来源单一，并且并不会随着工况而发生较明显的变化。因此可以判断转子重量引起的径向力并非轴承烧毁的主要原因。

（2）整个转子轴向力加载在轴承上的轴向载荷，该载荷与泵运行工况相关，泵轴向力发生变化有以下因素：

1.1.1 承受压差零件轴向力随压差改变而改变

承受压差零件在泵运行工况改变时，由于压力变化造成压差跟随改变，零件尺寸不变时压差作用下压差变化使轴向力也相应改变，而且转速越高变化越大，同时在工频50 Hz 下是该泵使用零件压差和轴向力最大的，也在其他地方多有使用，未见异常，说明此因素虽有影响但不足于损坏轴承，因此不是主因。

1.1.2 泵吸入性能不足

由于泵转速升高，泵的输出参数增加：

其中，Q、Qi为调速前、后流量；n、ni为调速前、后转速；H、Hi为调速前、后扬程；P、Pi为调速前、后功率。

由上式可知，随着转速升高，多级离心泵输出的参数流量Qi、扬程Hi及功率Pi会有不同程度的提高（图2）。其中，随着流量Qi的迅速升高，对泵进口吸入性能的要求增加，此时若进口阀门开度不足则难以满足泵吸入要求。并且随着转速的不断升高，当吸入性能无法满足时将出现气蚀空化现象，严重时出现抽空断流现象，从而出现对称布置的叶轮内流体流动不连续、对称性被破坏，导致轴向力大大改变而使轴承超载。

图2 泵结构示意

1.1.3 泵超负荷运行

随着转速的不断升高，输出参数增加，输入功率随着升高。性能曲线变化如图3 中④→②所示，若升速前工况点位于④点右侧（即允许工作范围之外）。低转速时由于输出参数较低，即使超过允许工作区振动、温度等监控参数也不是很明显。因此刚开始升速阶段并未发现异常。升速后期，所需的输入功率逐渐以偏离允许工作区的状态甚至超过电机的额定输入功率，因此整个转子系统处于一个异常工作状态，超负荷运转。此时泵振动会上升，电机轴承、绕组温度会增高，但现场除了泵推力轴承发热烧坏外，其他基本正常，所以此影响因素也可以被排除。

图3 调速范围性能变化表

通过以上分析后认为，要因在轴向力方面，分别为轴向力变化、吸入性能不足和超负荷运行。采用排除法，确定吸入性能不足为主因。

1.2 处理方案

针对吸入性能不足的主因进行分析，本项目提供了两种启泵升速方案。

1.2.1 处理方案1

如果启泵后升速过程中需要调节出口阀门，则使出口流量控制在图3 所示中“允许工作范围”内即可。为保证流量控制在该范围内，对应的阀门开度有如下关系：

阀门开度与流量大小的计算公式：

式中 fp——导管几何形状系数

fy——节流系数

fr——雷诺系数的修正系数

δp——调节阀的压差

ρ——介质密度

kv——流量系数直线调节阀的流量特性可知，在某个Δp下：

通过阀门开度与流量之间的关系，即可进行具体调节。

1.2.2 处理方案2

如果启泵升速至额定转速过程中不再调节出口阀门，则保证启泵最低转速，该转速取决于阀门精度，同时检测出口压力，保证出口压力不低于④点对应的压力，同时控制阀门开度保证额定输出流量小于①点的流量值。随后进行提速，若直接升速至额定转速，则需在15～20 s 内完成；若阶段性升速：则每次升速5 Hz（5 s左右完成），提速过程中当泵振动突然增加时（一阶共振区）应快速通过不允许在此处长期运行。

1.3 处理结果

按照上述方案进行后，整个调速过程没有出现异常，轴承温度及壳体振动均保持正常，

2 结论

多级离心泵运行期间升速过程中需注意：

（1）首先需要根据出口配备的阀门精度来确定整个系统所能允许的最低受控运转速度。该速度确定后由相关公式可以确定最低及最高出口升速压力，即图3 中③和④点对应的压力值，其中④点可以确定阀门开度的上限。

（2）随后根据①点流量通过出口阀门流量特性公式可计算出对应的开度；调整至此开度后，观察该开度下最低转速时的流量与③点流量之间的关系，该开度下流量小于③点对应的流量，则应确定③点流量对应的开度即为最低运转速度下阀门开度的下限。若该开度下流量大于③点对应的流量，则该开度即为最低运转速度下阀门开度的下限（图4）。

图4 调速建议操作流程