李 林，徐仕海，張?jiān)雒?，?艷，李永宏

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

0 概況

齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、可靠性高、自吸能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，常被應(yīng)用于汽輪機(jī)組油系統(tǒng)，作為主油泵使用。通常將齒輪泵布置在運(yùn)行層，由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)，距離油箱液面有4 m左右的自吸高度，出口管路上設(shè)置有止回閥和壓力測(cè)點(diǎn)，并配置輔助油泵，在啟動(dòng)、停機(jī)等階段由輔助油泵向汽輪機(jī)軸承供油，同時(shí)通過(guò)止回閥旁路向齒輪泵注油，系統(tǒng)常用配置見(jiàn)圖1。但齒輪泵自身存在流量脈動(dòng)，會(huì)造成系統(tǒng)油壓波動(dòng)、異音等問(wèn)題，因此，需要對(duì)流量脈動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)研究分析，并盡可能地減小其對(duì)油系統(tǒng)的影響，從而保證機(jī)組可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

圖1 汽輪機(jī)油系統(tǒng)油泵配置

1 流量脈動(dòng)

齒輪泵在嚙合的過(guò)程中，齒間容腔是不斷變化的，導(dǎo)致在吸油和排油時(shí)，瞬時(shí)流量隨時(shí)間而變化，周期性地出現(xiàn)最大和最小流量，使流量產(chǎn)生波動(dòng)。在泵連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)中各瞬時(shí)流量是按同一規(guī)律重復(fù)變化，這種現(xiàn)象稱為流量脈動(dòng)，一般由流量脈動(dòng)率來(lái)衡量。流量脈動(dòng)會(huì)引起壓力脈動(dòng)。

2 脈動(dòng)的計(jì)算公式

齒輪泵在排油過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)最大瞬時(shí)排量Vmax和最小瞬時(shí)排量Vmin以及可計(jì)算出瞬時(shí)平均排量Vave，則流量脈動(dòng)率δ0為：

(1)

根據(jù)理論分析計(jì)算[1]有：

(2)

(3)

式中，B為齒寬；β為分度圓螺旋角；Z為齒數(shù)；Ra為齒頂圓半徑；R0為節(jié)圓半徑；Rb為基圓半徑；R0′為分度圓半徑。

流量脈動(dòng)會(huì)引起壓力脈動(dòng)，根據(jù)分析，壓力脈動(dòng)的主要公式[2]有：

ΔP=f?(Zs,Ze)?ΔQ

(4)

在固定系統(tǒng)中，額定工作狀態(tài)下齒輪泵外部系統(tǒng)阻抗Ze和泵內(nèi)部阻抗Zs是一定的，平均流量與平均流量所對(duì)應(yīng)的壓力是一定的，因此，出口流量和壓力的關(guān)系，可近似認(rèn)為成線性關(guān)系。

3 流量脈動(dòng)對(duì)齒輪泵壓力參數(shù)的影響

根據(jù)齒輪泵流量隨入口壓力變化特性和典型齒輪泵特性，見(jiàn)圖2。在齒輪泵出口壓力一定時(shí)，隨著入口壓力的降低，流量呈線性的略微減小，到達(dá)A點(diǎn)以后由于形成嚴(yán)重氣穴而急劇下降，即齒輪泵出口壓力與入口壓力存在臨界拐點(diǎn)，出口壓力變化時(shí)會(huì)引起拐點(diǎn)的偏移。因此需要明確當(dāng)流量脈動(dòng)導(dǎo)致出口壓力最小時(shí)，入口壓力是否已出現(xiàn)在拐點(diǎn)之后，從而導(dǎo)致流量和出口壓力急劇變化[3]。

圖2 典型齒輪泵特性

下面以某齒輪泵為例進(jìn)行計(jì)算和分析，泵入口壓力為-5 kPa，泵額定出口壓力按450 kPa，齒輪主要參數(shù)如下：齒數(shù)Z=11，法面壓力角αn=25°、法面模數(shù)mn=20mm，齒寬B=570 mm、節(jié)圓半徑R0=111 mm。

通過(guò)仿真分析，該型號(hào)齒輪泵出口壓力脈動(dòng)仿真曲線見(jiàn)圖3。

圖3 某齒輪泵出口壓力脈動(dòng)仿真曲線

從圖3可以看出，該型號(hào)齒輪泵出口壓力主要在390 kPa至480 kPa之間呈一定規(guī)律地波動(dòng)，流量脈動(dòng)對(duì)齒輪泵出口壓力有較大影響，壓力波動(dòng)范圍達(dá)90 kPa左右。

為得到泵出口流量和壓力的關(guān)系,對(duì)該型號(hào)泵進(jìn)行的三次試驗(yàn)測(cè)得出口流量和壓力關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖4 某型號(hào)齒輪泵出口流量與壓力試驗(yàn)曲線

從圖4可以看出，隨著泵出口壓力的增加，泵的流量呈下降的趨勢(shì)，但下降幅度很小，基本呈線性關(guān)系，與理論曲線相符。試驗(yàn)還測(cè)得了ΔP與ΔQ的關(guān)系。

由式(2)計(jì)算得到該齒輪泵流量脈動(dòng)率為δ0=0.185，根據(jù)圖4測(cè)得的ΔP與ΔQ的關(guān)系，取三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中較大的一組，結(jié)合式(4)可得到出口壓力波動(dòng)率約為0.176。泵出口壓力按450 kPa，則壓力波動(dòng)范圍為79 kPa，比仿真分析得到的波動(dòng)范圍90 kPa稍小，主要是實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中泵存在間隙、排氣孔等泄漏，減弱了對(duì)出口壓力的影響，因此，該偏差在允許范圍內(nèi)。

為評(píng)估齒輪泵的自吸性能和臨界拐點(diǎn)，通過(guò)仿真分析來(lái)驗(yàn)證。入口壓力取為-40 kPa，出口壓力按接近臨界拐點(diǎn)，并考慮出口壓力按向下波動(dòng)一定幅度，出口壓力取為320 kPa，計(jì)算得出壓力云圖見(jiàn)圖5。

圖5 某齒輪泵壓力云圖

由圖5可知，低壓區(qū)域除了與進(jìn)口腔室連通的部分外，并未擴(kuò)散到其他的齒谷中，從吸入口到排油口的齒谷壓力分布有序，高低壓區(qū)域明顯，沒(méi)有大面積的氣泡區(qū)域，因此可以確定在目前齒輪泵進(jìn)出口壓力參數(shù)(出口高于320 kPa，入口壓力高于-40 kPa)下，流量脈動(dòng)不會(huì)引起入口壓力低于齒輪泵特性的臨界拐點(diǎn)，不會(huì)造成嚴(yán)重的氣蝕，從而引起出口流量、壓力的急劇變化。

4 流量脈動(dòng)對(duì)齒輪泵出口止回閥設(shè)計(jì)的影響

齒輪泵出口設(shè)置止回閥，其閥瓣需要靠泵出口流體產(chǎn)生的液動(dòng)力頂開(kāi)，流量脈動(dòng)會(huì)造成液動(dòng)力脈動(dòng)，若液動(dòng)力最小值不足以將止回閥閥瓣頂至全開(kāi)位置，則流量脈動(dòng)將使止回閥閥瓣來(lái)回晃動(dòng)，出現(xiàn)頻繁閉合開(kāi)啟過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致主油泵排油波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致主油泵出口壓力波動(dòng)，同時(shí)閥瓣來(lái)回晃動(dòng)會(huì)產(chǎn)生金屬碰撞等異音和振動(dòng)。泵出口止回閥一般采用旋啟式，水平布置，其受力如圖6，要保證閥門始終處于全開(kāi)狀態(tài)需滿足如下關(guān)系：

圖6 止回閥受力示意圖

R·Fa>L·G

(5)

式中，R為閥瓣中心的旋轉(zhuǎn)半徑；Fa為介質(zhì)作用在閥瓣上的分力，F(xiàn)a=Fcosα；F為介質(zhì)作用在閥瓣上的力；α為閥門全開(kāi)時(shí)的角度；G為閥瓣重力；L為閥瓣重心與旋轉(zhuǎn)重心的水平距離。

參考蝶閥閥瓣上的動(dòng)水作用力公式[4]有：

(6)

式中，g為重力加速度，9 810 mm/s2；H為計(jì)算升壓在內(nèi)的最大靜水頭，10 000(PN+ΔP)mm；D為密封面內(nèi)徑，mm；λα為開(kāi)度為α角時(shí)動(dòng)水力系數(shù)；ξα為開(kāi)度為α角時(shí)的流阻系數(shù)；ξ0為全開(kāi)時(shí)的流阻系數(shù)；v為介質(zhì)流速 mm/s。

當(dāng)閥門全開(kāi)時(shí)，有ξα=ξ0，則式(6)可以簡(jiǎn)化為：

F=λαD2v2

(7)

由式(3)(5)(7)可得：

(8)

式中，A為管道截面積mm2；D為閥門密封面內(nèi)徑mm；λα為開(kāi)度為α角時(shí)動(dòng)水力系數(shù)；n為齒輪泵轉(zhuǎn)速，r/s；Vmin為齒輪泵最小瞬時(shí)排量，由式(3)計(jì)算。

因此，止回閥閥瓣的重量設(shè)計(jì)尤為重要，其重力必須滿足式(8)要求，即止回閥閥瓣的重量必須小于流量脈動(dòng)的最小值所產(chǎn)生的液壓力，才能保證閥瓣在流量脈動(dòng)時(shí)不來(lái)回晃動(dòng)，而一直保持全開(kāi)狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)頻繁閉合開(kāi)啟，從而導(dǎo)致油壓波動(dòng)幅度變大和異音的產(chǎn)生。

5 降低流量脈動(dòng)影響的措施

流量脈動(dòng)是齒輪泵固有特性，在齒輪泵系統(tǒng)中不可避免地會(huì)引起一定程度的油壓波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，應(yīng)采取必要措施降低其影響，通過(guò)前述分析可以采取的主要方法如下：

1)增大齒輪泵的流量。對(duì)于油系統(tǒng)而言，在齒輪泵設(shè)計(jì)或選型時(shí)，保證其脈動(dòng)過(guò)程中的最小流量滿足系統(tǒng)所需并有一定裕量，使流量脈動(dòng)在高位進(jìn)行，通過(guò)系統(tǒng)配置的壓力(溢流)調(diào)節(jié)閥對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)整定，可降低流量脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)油壓波動(dòng)的影響，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

2)提高齒輪泵進(jìn)出口參數(shù)。通過(guò)工程實(shí)踐，提高泵進(jìn)口壓力可以保證吸油充分，遠(yuǎn)離齒輪泵特性的拐點(diǎn)；提高出口壓力有利于減小流量脈動(dòng)對(duì)油壓波動(dòng)的影響。

3)降低系統(tǒng)配套設(shè)備對(duì)流量脈動(dòng)的放大作用。系統(tǒng)配套設(shè)備對(duì)流量脈動(dòng)會(huì)有放大或減弱的作用，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)使配套設(shè)備盡量減弱流量脈動(dòng)的影響，而不起放大作用，如出口止回閥閥瓣應(yīng)滿足能被最小流量產(chǎn)生的液動(dòng)力頂至全開(kāi)，系統(tǒng)溢流設(shè)備應(yīng)能及時(shí)進(jìn)行流量和壓力調(diào)整等。

4)設(shè)置流量補(bǔ)償。流量脈動(dòng)主要是流量時(shí)大時(shí)小不穩(wěn)定造成，可以通過(guò)在系統(tǒng)中配置蓄能器、補(bǔ)償泵等方式對(duì)其進(jìn)行流量補(bǔ)償，從而保證流量穩(wěn)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

齒輪泵流量脈動(dòng)不可避免地會(huì)對(duì)油系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮設(shè)計(jì)參數(shù)和配套設(shè)備要求，特別是齒輪泵流量和入口、出口壓力參數(shù)不能低于最小要求，系統(tǒng)配套設(shè)備應(yīng)盡可能降低流量脈動(dòng)影響，以盡量減小齒輪泵流量脈動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)油壓波動(dòng)的影響，確保系統(tǒng)和設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。