自平衡型多級離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙從菊

（長沙天鵝工業(yè)泵股份有限公司，湖南 長沙 410114）

自平衡型多級離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙從菊

（長沙天鵝工業(yè)泵股份有限公司，湖南 長沙 410114）

摘要：本文扼要介紹了自平衡型多級離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡明了其軸向力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計要點以及節(jié)流減壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，提出了結(jié)構(gòu)簡化和提高抗汽蝕性能方面的優(yōu)化設(shè)計。

自平衡型；多級離心泵；節(jié)流減壓；結(jié)構(gòu)設(shè)計

前言

多級離心泵廣泛應(yīng)用于礦井排水、油田注水、輸油管線、石化流程、鍋爐給水等給排水工程。但傳統(tǒng)泵型采用特別“嬌嫩”的平衡軸向力裝置（如平衡盤裝置），其“發(fā)病率”極高且泄漏量大。一般泵平衡盤的泄漏量為額定流量的4%-10%，高揚程小流量泵高達20%[1]。很多設(shè)計者在平衡盤優(yōu)化設(shè)計方面做了大量工作，也無法根本解決此問題。采用自平衡型多級離心泵減少傳統(tǒng)泵型故障發(fā)生頻率，消除傳統(tǒng)多級泵平衡水的泄漏，提高多級泵運行的可靠性和提高容積效率。因此自平衡型多級離心泵成了所有多級離心泵設(shè)計師共同研討的課題。

1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自平衡多級離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1，其液流路線如圖2中箭頭方向所示。

圖1 自平衡型多級離心泵結(jié)構(gòu)圖

圖2 自平衡型多級離心泵液流路線圖

泵采用雙支承結(jié)構(gòu)（滾動或滑動軸承）承受徑向和軸向載荷，雙軸封（即低壓區(qū)端“①-④級”和“⑤-⑧級”高壓區(qū)端均密封），軸封形式為填料或機械密封兩種。

將多級泵葉輪對稱配置在低壓區(qū)段和高壓區(qū)段，相互抵消葉輪產(chǎn)生的軸向推力，采用級間節(jié)流減壓裝置阻止高壓段的液體向低壓段回流。在高壓區(qū)段設(shè)有軸封，采用高壓區(qū)端節(jié)流減壓裝置和回水管系統(tǒng)調(diào)節(jié)軸封壓力，保證軸封前腔液體壓力符合軸封要求。

2、軸向力的平衡

自平衡多級離心泵葉輪總級數(shù)為偶數(shù)級時，理論上軸向力相互抵消而完全平衡。但由于葉輪、導(dǎo)輪等流道零部件制造時，流道部位幾何形狀尺寸精度和相對位置精度與設(shè)計存在偏差，不可避免地存在大小和方向不確定的殘余軸向力，該力靠推力軸承來承受。

葉輪總級數(shù)為奇數(shù)級時，由于低壓區(qū)段與高壓區(qū)段的葉輪數(shù)相差一級，完全平衡軸向力的條件被破壞。設(shè)計時考慮采用以下措施：

（1）設(shè)置推力軸承，如單列向心推力軸承或推力盤（瓦）軸承來承受單向的不平衡軸向力；

（2）首級葉輪采用無軸向力的雙吸式葉輪，且首級采用此種葉輪形式還有利于提高泵的抗汽蝕性能；

（3）泵的末級葉輪采用雙口環(huán)開平衡孔或設(shè)背葉片（副葉片）[2]的葉輪來實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)子的軸向力平衡，實際上開平衡孔或設(shè)背葉片仍有10-15%的軸向力沒有平衡掉，仍需靠推力軸承來承受。因此葉輪設(shè)置時讓高壓區(qū)段的級數(shù)比低壓區(qū)段級數(shù)多一級，以減輕高壓區(qū)端軸承壓力，同時使泵軸受力處于拉桿狀態(tài)。

3、節(jié)流減壓裝置設(shè)計

3.1 級間節(jié)流減壓裝置

從圖2可以看出，低壓區(qū)段末級葉輪（第4級）出口壓力P4與高壓區(qū)段末級葉輪（第8級）之間存在壓力差△P1=P8-P4，這將造成級間泄漏，其泄漏量隨著△P1的增大需急劇增加，為了減少泄漏，在兩區(qū)段之間應(yīng)設(shè)置級間節(jié)流減壓裝置。在設(shè)計時按最大壓差△Pmax計算。考慮到兩端軸承跨距太大，級間節(jié)流減壓裝置必要時，可設(shè)計成兼作滑動軸承和節(jié)流減壓組合式的結(jié)構(gòu)。

3.2 高壓區(qū)端節(jié)流減壓裝置

高壓區(qū)端軸封前腔，根據(jù)不同的軸封型式，允許的密封壓力P封通常有一定的范圍（前腔內(nèi)應(yīng)保持的壓力范圍），而高壓區(qū)段進水室的水壓等于低壓區(qū)段末級葉輪的出口壓力P末（圖2所示的出口壓力P4），則進水室與軸封前腔形成壓力差△P2，當(dāng)該△P2較大時需要在兩者之間設(shè)置節(jié)流減壓裝置，保證前腔的水壓在規(guī)定的P封范圍之內(nèi)。

因多級泵葉輪級數(shù)有一定的變化范圍，而軸封一旦選定，則P封范圍固定不變，隨泵葉輪級數(shù)的增加或減少將導(dǎo)致△P2的增大或減小，直接影響減壓裝置設(shè)計參數(shù)和減壓效果；另外由于選擇設(shè)計的有關(guān)系數(shù)經(jīng)驗公式的局限性和可靠性等不確定因素的影響，設(shè)計后的減壓裝置可能出現(xiàn)偏差，可能出現(xiàn)如下兩種情況：

（1）當(dāng)減壓裝置壓降過大，使得前腔壓力過小，甚至造成負壓時，則軸封缺水或無水潤滑、冷卻，將出現(xiàn)軸封“燒壞”的現(xiàn)象，因此需設(shè)法向前腔引入壓力水滿足P封的壓力范圍。

（2）當(dāng)減壓裝置減壓效果差，前腔壓力大大超過P封允許值時，則軸封泄漏嚴重甚至無法控制，因此需設(shè)法向外卸壓控制P封的壓力范圍。

為防止以上兩種情況發(fā)生，在前腔設(shè)回水管與第一級葉輪中段箱連通，并在此管路上設(shè)有截止閥和壓力表（設(shè)在圖1中第“6”項部件“平衡管”上），以便觀察、調(diào)節(jié)、控制前腔的壓力。當(dāng)前腔壓力滿足P封時，關(guān)閉截止閥；出現(xiàn)上述中（1）種情況時打開截止閥，由第一級葉輪水進入前腔并控制壓力滿足的P封要求；出現(xiàn)上述中（2）種情況時同樣打開截止閥，前腔的高壓水回流到第一級葉輪中段箱卸壓，控制P封的壓力范圍。根據(jù)壓力表所示計數(shù)來決定調(diào)節(jié)截止閥的開度。

3.3 節(jié)流減壓裝置設(shè)計

圖1中的兩種節(jié)流減壓裝置（11級間節(jié)流減壓裝置和15高壓區(qū)端節(jié)流減壓裝置）實際上是采用迷宮密封原理。在泄漏通道內(nèi)設(shè)置多個環(huán)形或螺旋槽來增加泄漏流動中的阻力，當(dāng)泄漏通道兩端壓差完全損失掉時即可實現(xiàn)完全不漏。圖3中的A1、A2、A3 和 B1、B2、B3 所示為常用的節(jié)流減壓裝置形式。

圖3 節(jié)流減壓裝置設(shè)計形式

為進一步增加泄漏通道的阻力，減少泄漏，平衡兩端壓差可將圖2中A1、A2、A3的環(huán)形槽優(yōu)化設(shè)計成螺旋槽。如圖3中的 B1、B2、B3 所示。

4、總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

前面所述結(jié)構(gòu)設(shè)計在高壓區(qū)端設(shè)有軸封，為了保證軸封前腔液體壓力符合軸封要求，需增設(shè)一套節(jié)流減壓裝置和回水管系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回水系統(tǒng)在運行時需精心調(diào)節(jié)和控制。

保留原有結(jié)構(gòu)（1）低壓區(qū)段、高壓區(qū)段葉輪的配置方式；（2）級間節(jié)流減壓裝置；（3）低壓區(qū)端軸封以及能承受徑向和軸向載荷的軸承等主要結(jié)構(gòu)和功能。在此情況下進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。

優(yōu)化后泵的尾端（自由端）為水潤滑滑動軸承，只承受徑向載荷，此軸承箱部封閉，因此高壓區(qū)端不需設(shè)置軸封，取消高壓區(qū)端節(jié)流減壓裝置和回水系統(tǒng)如圖4。從第⑤級葉輪泵腔內(nèi)引潤滑水（其壓力為P5）至軸承密封腔，結(jié)果使軸端受到一個向左的軸向力，該力抵消一部分向右的不平衡軸向力，殘余的軸向力由推力軸承承受。

因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后軸承結(jié)構(gòu)大大簡化、雙支承間的跨距縮短、重量減少、減少制造成本，運行時平穩(wěn)，維修方便。

另外，高壓區(qū)端進水室非金屬水潤滑滑動軸承可設(shè)計成通用部件，軸承材料選用非金屬材料如夾布塑料摻入二硫化鉬軸承、尼龍軸承、聚四氟乙烯浸漬金屬（銅粉）軸承、賽龍軸承等。

圖4 總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計圖示

圖5 總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計圖示

5、泵抗汽蝕性能的改進

當(dāng)前礦井排水、油田注水、輸油管線、鍋爐給水等水泵，不但要求高壓供水，且對泵抗汽蝕性能的要求越來越高。一般多級離心泵設(shè)計時，總考慮對首級葉輪采用以下措施來提高泵的抗汽蝕性能。

（1）適當(dāng)加大葉輪進口有效直徑D0；

（2）適當(dāng)加寬葉片在時口邊處的寬度b1；

（3）合理確定葉輪前蓋板進口部分的曲率半徑；

（4）葉片進口邊向吸入口方向延伸；

（5）合理確定葉片進口沖角；

（6）葉片進口厚度盡可能薄；

（7）長短葉片相間配置；

（8）提高光潔度；

（9）首級葉輪采用雙吸式。

上述這些措施，國外有資料顯示，單獨采用（1）和（2）最佳情況下所能達到的汽蝕比轉(zhuǎn)速C=1500左右。如果在一設(shè)計中聯(lián)合采用（1）和（2）項，最佳條件下汽蝕比轉(zhuǎn)速C=2000，但即使獲得這樣中等的抗汽蝕性能，這是以降低水泵效率（10-20）%的代價換來的，要設(shè)計出非常好的抗汽蝕葉輪，但效率指標不可接受。根據(jù)離心式葉輪前設(shè)誘導(dǎo)輪大幅度提高抗汽蝕性能的實踐經(jīng)驗，一般可達C=300-400，運行特殊的設(shè)計方法目前最高可達C=6300。因此在自平衡多級離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中可在圖4結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上作進一步改進，在該結(jié)構(gòu)的首級葉輪前設(shè)置誘導(dǎo)輪，如圖5。并利用SolidWorks或Pro/E生成誘導(dǎo)輪葉片實體模型[3]，可迅速直觀地比較葉片的好壞，并加以改進，達到有效提高水泵抗汽蝕性能的目的。

結(jié)束語

自平衡多級離心泵采用葉輪對稱布置、獨有的節(jié)流減壓裝置，奇數(shù)級平衡裝置的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，突破了多級泵的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；取消了高壓降、易磨損、易出故障的平衡盤，轉(zhuǎn)子部件無軸向竄動，運行更平穩(wěn)、可靠，檢修和維護成本大大降低；同時沒有平衡盤的泄漏，提高了水泵的容積效率；如在設(shè)計時同時采用誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，使泵更具有良好的抗汽蝕性能。自平衡多級離心泵是傳統(tǒng)多級離心泵比較好的替代產(chǎn)品，其性能更優(yōu)越，更適合于介質(zhì)性質(zhì)更為惡劣的場合，值得推廣。

［1］ 關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計（第一版）［M］.機械工業(yè)出版社，1987

［2］ 沈陽水泵研究所葉片泵設(shè)計手冊［M］.機械工業(yè)出版社

［3］ 張濤，關(guān)醒凡.使用Pro/E的誘導(dǎo)輪葉片三維設(shè)計［J］.水泵技術(shù)，2003，（5）

The Structural Design of Self-balancing Type Multi-stage Centrifugal Pump

ZHAO Cong-ju
（Changsha Swan Industrial Pump Co.,Ltd.Changsha 410114,Hunan）

This paper introduces the self-balancing type multi-stage centrifugal pump design,Illustrates the axial force balance design points and throttle pressure reliefdesign principles,the structure is proposed tosimplifyand improve the anti-cavitation performance ofthe optimal design.

self-balancingtype；multi-stage centrifugal pump；throttle pressure reliefdevice；optimal design

TH311

A

1671-5004（2011） 03-0001-02

2011-5-9

趙從菊（1965-），女，湖南常德人，華中科技大學(xué)工程師，研究方向：水泵設(shè)計和水系統(tǒng)節(jié)能改造。