雙支承式離心泵高壓側(cè)機封腔體壓力的平衡

李永龍，魏清希，戴貴榮，楊軍虎

（1.西安泵閥總廠有限公司，西安 710025）（2. 蘭州理工大學能動學院 蘭州 730050）

本文所講的雙支承式離心泵是API610標準歸類的BB系列兩端支承式離心泵。該系列泵大都出口壓力較高（尤其是多級泵），而因為結(jié)構(gòu)因素，過流部件兩側(cè)各有一套密封，因此必有一側(cè)是高壓側(cè)，腔體壓力太高，導致密封效果不佳，機封泄露。為提高泵質(zhì)量，降低能耗，響應國家環(huán)保措施，平衡高壓側(cè)機封腔體壓力就顯得尤為重要；而行業(yè)上對此類結(jié)構(gòu)的研究資料沒有針對性文獻，僅有涉及多級泵的文獻；因此根據(jù)我公司近年來對某一類雙支承式泵結(jié)構(gòu)的售后問題并結(jié)合Pumplinx軟件進行仿真分析，深入研究本課題的相應影響因素，總結(jié)規(guī)律，并得出經(jīng)驗公式。

1 選題來源

本文研究列舉幾個實例，結(jié)合仿真模擬進行互相分析驗證。案例一：我公司供給某化工用戶的BB2型貧液泵，自2020年年初貨到用戶現(xiàn)場開始運行以來，多次出現(xiàn)高壓側(cè)機封泄露甚至損壞的問題，且機封沖洗方案PLAN32外沖洗水壓力調(diào)至2MPa后還是沖不進去， 案例二：我公司供給另一家化工用戶的的BB4型高壓泵，亦是出現(xiàn)高壓側(cè)機封頻繁損壞，且PLAN32外沖洗水壓力調(diào)高后還是沖不進去的問題；還有其它一些用戶使用的多級泵運行一段時間后亦出現(xiàn)機封故障。

2 結(jié)構(gòu)及問題描述

以上兩個案例的高壓側(cè)機封腔體結(jié)構(gòu)基本類似，如圖1：

圖1 高壓側(cè)機封腔體結(jié)構(gòu)

從上圖結(jié)構(gòu)看介質(zhì)流經(jīng)路徑為：高壓液體在高壓區(qū)通過節(jié)流套間隙區(qū)域首次降壓后流入平衡腔，而平衡腔通過平衡管與低壓區(qū)（通常是泵進口）連通，此時高壓液體被低壓液體平衡再次降低后進入機封腔，滿足機封使用環(huán)境。

從結(jié)構(gòu)看，降低機封腔體壓力的因素是平衡管的管徑和節(jié)流套的間隙，而根據(jù)經(jīng)驗這兩個點亦是設(shè)計和生產(chǎn)制造過程中容易發(fā)生故障的位置，我們重點分析。除此之外，以上結(jié)構(gòu)高壓與與低壓區(qū)連通，勢必出現(xiàn)介質(zhì)的回流，因此還必須分析效率的變化。即：

1) 節(jié)流套間隙對腔體壓力的影響；

2) 平衡管直徑對腔體壓力的影響；

3) 增大平衡管直徑對效率是否有影響。

3 仿真分析

本次仿真以多級泵為例進行仿真分析，確定節(jié)流套間隙和平衡管管徑為兩個變量，分別設(shè)置節(jié)流套間隙為0.5、0.75、1.0、1.5、2.0(mm)；在每一個間隙條件下分別設(shè)置平衡管管徑為15、25、40、50(mm)口徑進行分析，分析結(jié)果應包括流量、揚程、效率、平衡管流速、機封腔體壓力。

按照以上流程進行仿真模擬后的分析結(jié)果進行匯總統(tǒng)計如下：

圖2 水體圖和壓力云圖

不同間隙的管徑-揚程/效率/回水管流量/機封腔壓力曲線

不同管徑的間隙-揚程/效率/回水管流量/機封腔壓力曲線

結(jié)合仿真分析可總結(jié)出以下規(guī)律：

◆ 在平衡管管徑一定的條件下，節(jié)流套間隙越小，機封腔體壓力越小。

◆ 在節(jié)流套間隙一定的條件下，平衡管管徑越大，機封腔體壓力越小。

◆ 在節(jié)流套間隙小時，適當加大平衡管管徑，對性能影響較小且有利于腔體壓力的降低，而節(jié)流套間隙大時，平衡管管徑的變化對性能影響較大。

4 結(jié)果驗證

以上案例一中的貧液泵返廠后先進行實驗并檢測相關(guān)尺寸，然后根據(jù)分析結(jié)果對其高壓側(cè)機封腔體結(jié)構(gòu)部分進行維修，對比如下：

從以上數(shù)據(jù)可看到：

返廠未維修前的泵與原始出廠時試驗數(shù)據(jù)相比，因節(jié)流套磨損導致間隙變大，由0.7mm增大到3mm，在平衡管管徑不變得前提下，高壓側(cè)機封腔體壓力增大至2.9MPa，而泵效率下降約2%；

而維修后數(shù)據(jù)與原始出廠數(shù)據(jù)對比，在節(jié)流套間隙不變的前提下，增大平衡管管徑，機封腔體壓力降低，效率幾乎不變；

實際研究結(jié)果與分析結(jié)果一致！

5 公式推導：

基于分析和實踐，我們研究總結(jié)出了本課題的規(guī)律變化，但對于多級泵來說，隨著級數(shù)的增多，揚程增大，腔體壓力逐漸變高，此時我們無法得知其增高后的腔體壓力是否能滿足使用要求。因此通過本課題推導出一個經(jīng)驗公式，用于估算密封腔壓力。對其結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)進行定義，如下圖：

參照以上結(jié)果可列公式：

(P1-P2)/(ρg)=K1Q2

( P2-P3)/(ρg)=K2Q2

求得K1、K2

當泵級數(shù)或者揚程(P1)變化時可按上式求得：

P11-P3=K1Q2ρg +K2Q2ρg

得到回流量Q,當節(jié)流套間隙和平衡管管徑都不變時，此時帶入求解可得到：

P21=P1-( P1-P3)/(K1+K2)*K1

故可以求得機封腔體壓力。

假如我們知道某一級數(shù)的多級泵的相關(guān)參數(shù)，就可根據(jù)此公式估算同一型號更高級數(shù)多級泵的高壓側(cè)機封腔體壓力，指導意義重大。

6 結(jié)論

1) 在平衡管管徑一定的條件下，節(jié)流套間隙越小，機封腔體壓力越小。

2) 在節(jié)流套間隙一定的條件下，平衡管管徑越大，機封腔體壓力越小。

3) 在節(jié)流套間隙小時，適當加大平衡管管徑，對性能影響較小且有利于腔體壓力的降低，而節(jié)流套間隙大時，平衡管管徑的變化對性能影響較大。

4) 同一個型號的多級泵可根據(jù)此公式：P21=P1-( P1-P3)/(K1+K2)*K1

估算更高級數(shù)泵的機封腔體壓力。