一種小流量高效率離心泵的研制

梁立國(guó)+宋小伍+王縣文

摘 要：離心泵是石油化工行業(yè)中的重要設(shè)備，文章是針對(duì)在小流量的工況下泵能夠高效平穩(wěn)運(yùn)行而開發(fā)的新產(chǎn)品，通過工廠試驗(yàn)及用戶現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，證明該泵研制是成功的。同時(shí)，開發(fā)小流量離心泵也使泵的型譜范圍更加寬廣，為以后的選型提供了更多的泵型，其高效節(jié)能及良好的抗汽蝕性能成為該產(chǎn)品的突出優(yōu)點(diǎn)，向節(jié)能環(huán)保和綠色制造的發(fā)展方向又邁進(jìn)了一步。

關(guān)鍵詞：小流量；高效率；水力設(shè)計(jì)

前言

雖然離心泵在石油化工領(lǐng)域早已廣泛使用，但是現(xiàn)有泵型還是不能滿足一些小流量、高揚(yáng)程工況下的高效穩(wěn)定運(yùn)行。一般表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是采用打回流來實(shí)現(xiàn)小流量時(shí)泵的穩(wěn)定運(yùn)行，這種方法效率低、電能消耗變大；二是大泵小用，直接運(yùn)行在泵的小流量區(qū)域，導(dǎo)致泵產(chǎn)生振動(dòng)大及效率低的問題，這將大大縮短泵的使用壽命，并給用戶帶來一系列的安全隱患。針對(duì)這種情況，我公司依托相關(guān)項(xiàng)目研制的小流量離心泵具有高效穩(wěn)定和抗汽蝕性能好的特點(diǎn)，也為用戶節(jié)約了大量的用電成本，符合當(dāng)前機(jī)械行業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

1 泵的運(yùn)行工況及主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.1 泵的運(yùn)行工況如下

1.2泵的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下

流量Q=2m3/h；揚(yáng)程H=60m；效率η=17%；轉(zhuǎn)速n=2950r/min；必須汽蝕余量NPSHr=2.5m。

2 葉輪的水力設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)分析

由于相似換算法簡(jiǎn)單可靠，按照模型泵進(jìn)行設(shè)計(jì)可一次干好，因此仍采用此方法。為了提高泵的抗汽蝕性能和改變揚(yáng)程需要修改模型。首先要選擇比轉(zhuǎn)速相近的水力模型，然后將選出的優(yōu)秀水力模型高效點(diǎn)的流量揚(yáng)程向設(shè)計(jì)點(diǎn)流量進(jìn)行換算，這樣就可以計(jì)算出流量換算比例系數(shù)，從而計(jì)算出設(shè)計(jì)泵的水力縮小倍數(shù)。將葉輪水力模型按計(jì)算的倍數(shù)縮小后，再根據(jù)設(shè)計(jì)流量與模型流量換算得出葉輪的出口寬度b，向后平移葉輪的前蓋板至b。按縮小后的葉輪揚(yáng)程與設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程進(jìn)行換算，便可計(jì)算出設(shè)計(jì)葉輪的外徑。適當(dāng)加大葉輪的入口直徑以提高其抗汽蝕性能，這樣葉輪就設(shè)計(jì)完畢。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)相似換算原理保持葉輪外徑不變改變出口寬度，再根據(jù)額定揚(yáng)程改變?nèi)~輪外徑，最終得出葉輪出口寬度為2.8mm。這就遇到了一個(gè)新的問題，因?yàn)楝F(xiàn)有砂型鑄造水平只能鑄造出最小出口寬度為3.5mm的葉輪，若按照出口寬度2.8mm鑄造葉輪，葉輪出口處前后蓋板很容易鑄在一起，廢品率會(huì)很高，造成不必要的浪費(fèi)以及成本的提高。如何實(shí)現(xiàn)葉輪的最小鑄造開口由3.5mm轉(zhuǎn)變到2.8mm是解決問題的關(guān)鍵。

2.3 解決方法

通過認(rèn)真分析并結(jié)合鑄造工藝的特點(diǎn)，可以在保持葉輪內(nèi)部流道水力部分不變的情況下，只改變?nèi)~輪出口處的寬度來實(shí)現(xiàn)。具體做法是：在保證流道水力部分不變的情況下先將葉輪出口處的寬度鑄造成3.5mm，然后在葉輪開口處墊上2.8mm的鋼板，并將葉輪和鋼板固定好，用銅棒均勻砸擊葉輪前蓋板出口邊緣，葉輪出口寬度達(dá)到2.8mm時(shí)取下墊板對(duì)葉輪進(jìn)行機(jī)加工（見圖1）。這種方法簡(jiǎn)便易行，非常適合小流量離心泵閉式葉輪的制造。

3 泵體的水力設(shè)計(jì)

泵體的水力部分就可以根據(jù)設(shè)計(jì)的葉輪計(jì)算出基圓直徑，從而按吸水室和壓水室的水力設(shè)計(jì)方法計(jì)算和設(shè)計(jì)出來。泵體渦室需要重新設(shè)計(jì)，采用有利于改善流動(dòng)條件的半螺旋形吸水室來保證在葉輪進(jìn)口得到均勻的速度場(chǎng)，并按計(jì)算的基圓直徑、進(jìn)口寬度及渦室各斷面面積進(jìn)行設(shè)計(jì)和繪圖。而壓水室則采用在設(shè)計(jì)工況下液體符合自由流動(dòng)和軸對(duì)稱的螺旋形壓水室，這就保證了葉輪內(nèi)相對(duì)流動(dòng)的穩(wěn)定性。繪圖后發(fā)現(xiàn)泵體水力部分流道結(jié)構(gòu)非常緊湊，壓水室過流斷面寬度僅為10mm，特別是一級(jí)和二級(jí)過渡流道處尺寸非常小，對(duì)鑄造工藝要求很高，經(jīng)與鑄造廠家溝通可以實(shí)現(xiàn)了該泵體流道的鑄造。

4 泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

40AY30X2型泵為徑向剖分，兩級(jí)單吸，懸臂式離心泵。設(shè)計(jì)制造完全按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)API610-2010《石油、化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵》執(zhí)行，屬于0H2結(jié)構(gòu)。

4.1 整體結(jié)構(gòu)

泵為徑向剖分結(jié)構(gòu)，中心線支撐。泵殼體分為兩部分，由泵體、泵蓋等組成，它承受泵的全部工作壓力，進(jìn)、出口均垂直向上布置。泵蓋上鑄有密封腔，密封腔外面有可供選擇的水冷腔夾套。打開前泵蓋就可以檢查泵內(nèi)的全部零件，無(wú)需拆卸泵的吸入管道、吐出管道及電機(jī)，因此檢修非常方便。

4.2 轉(zhuǎn)子部件

轉(zhuǎn)子部件包括軸、葉輪、葉輪口環(huán)、軸套和鍵等。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度為G2.5級(jí)，以保證泵運(yùn)行過程中振動(dòng)和噪聲都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。軸向力主要靠面對(duì)面布置的兩個(gè)葉輪自身平衡，殘余軸向力由一組角接觸球軸承平衡。

4.3 軸承體

泵的轉(zhuǎn)子由一個(gè)向心球軸承和一組角接觸球軸承來支撐。這是標(biāo)準(zhǔn)的稀油自潤(rùn)滑軸承體，通過甩油環(huán)進(jìn)行稀油潤(rùn)滑和冷卻，軸承體鑄有水冷腔可以很好的進(jìn)行冷卻。

4.4 機(jī)械密封

采用滿足API682標(biāo)準(zhǔn)的PLAN11方案集裝式機(jī)械密封，不但拆裝方便，而且滿足正常運(yùn)行壽命25000小時(shí)的使用要求，這就為設(shè)備的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行提供了可靠保證。

5 型式試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

按照GB/T3216-2005、JB/T8097-1999、JB/T8098-1999試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過常溫清水全性能測(cè)試對(duì)泵的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行考核，試驗(yàn)結(jié)果如下：流量Q=2m3/h；揚(yáng)程H=61.2m；效率η=17.25%；轉(zhuǎn)速n=2950r/min；必需汽蝕余量NPSHr=2.18m；

試驗(yàn)結(jié)果表明該泵實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足了用戶實(shí)際的使用要求，證明泵的設(shè)計(jì)是先進(jìn)合理的。

6 結(jié)束語(yǔ)

該泵自投入運(yùn)行5年以來一直很穩(wěn)定，噪聲和振動(dòng)都非常小，各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。修改模型是泵設(shè)計(jì)中常用的方法，對(duì)泵型譜的擴(kuò)展有著十分重要的意義。而優(yōu)秀的水力模型是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)設(shè)計(jì)泵的效率和汽蝕性能都有很大影響。因此，針對(duì)特定工況綜合運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論方法，設(shè)計(jì)出高效率、高抗汽蝕性的泵設(shè)備，不但提高了企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，也是石油化工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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