對復(fù)合葉輪高速離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

許浩浩 陳通勵 韓安達(dá) 李德斌 陳秀

浙江天德泵業(yè)有限公司 浙江溫州 325804

復(fù)合葉輪高速離心泵也簡稱為高速泵，通過離心原理作業(yè)，屬工業(yè)生產(chǎn)活動中的常用設(shè)備之一。該設(shè)備的特點(diǎn)在于利用增速箱發(fā)揮復(fù)合葉輪作用，較普通離心泵更具轉(zhuǎn)速優(yōu)勢，提升葉輪外沿的流體線速度和揚(yáng)程。嘗試實(shí)現(xiàn)復(fù)合葉輪高速離心泵，要求對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，也客觀要求給出具有實(shí)踐價(jià)值的方法。

1 復(fù)合葉輪高速離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)牽涉到增速裝置、過流部分、密閉性和軸向平衡力等方面。

增速裝置設(shè)計(jì)上，要求采用具有理想嚙合效果的齒輪進(jìn)行傳動，如果設(shè)備作業(yè)區(qū)域?qū)ψ鳂I(yè)穩(wěn)定性要求較高，宜采用斜齒輪；作業(yè)區(qū)域?qū)S向力控制的要求較高，宜采用直齒輪增速；運(yùn)行間隔較長或作業(yè)壓力較小的區(qū)域，可采用同步齒輪嘗試增速。材料方面，復(fù)合葉輪高速離心泵作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)速極快（多超過5000r/min），應(yīng)考慮以耐磨的復(fù)合材料和剛性條件理想的金屬材料為主。過流部分的設(shè)計(jì)，原則上要求首先考慮比轉(zhuǎn)速參數(shù)，比轉(zhuǎn)速達(dá)到15 或15 以上，應(yīng)優(yōu)先考慮應(yīng)用閉式葉輪，比轉(zhuǎn)速未達(dá)到15，則選用開式葉輪。在離心泵作業(yè)過程中，汽蝕影響不容忽視，為予以應(yīng)對，可對離心輪部位進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)誘導(dǎo)輪，并增設(shè)導(dǎo)葉。揚(yáng)程參數(shù)的提升，則應(yīng)考慮運(yùn)用出口角偏大的葉輪取代小出口角葉輪，同時(shí)確保葉輪葉片大小相間。

密閉性方面，建議采用多彈簧機(jī)械密封設(shè)計(jì)思路，并保證機(jī)械部分可耐受機(jī)械振動和汽蝕破壞，減少靜環(huán)面寬度參數(shù)有助于輔助應(yīng)對熱破壞。對于工作壓力較大的高速度，可考慮設(shè)計(jì)獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，以水冷（自沖洗）模式為宜，該設(shè)計(jì)技術(shù)上可行性高且適用性廣。軸向平衡力的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮高速泵工作構(gòu)成中的自調(diào)節(jié)，采用獨(dú)立冷卻系統(tǒng)的情況下，冷卻設(shè)備與高速泵同步作業(yè)，會對高速泵的工作產(chǎn)生影響，造成機(jī)械穩(wěn)定性、揚(yáng)程下降。為予以應(yīng)對，要求在復(fù)合葉輪處增設(shè)平衡孔，平衡孔均勻分布于長短葉片處，避免過于密集影響葉片整體性。采用了斜齒輪的高速泵，要求保證斜齒輪軸向力，與高速泵作業(yè)過程中產(chǎn)生的軸向力可互相抵消，方向上相反[1]。

1.2 輔助部分設(shè)計(jì)

復(fù)合葉輪高速離心泵輔助部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)牽涉到三個(gè)方面，即支承系統(tǒng)、潤滑部分、數(shù)字化部分。

支承系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，考慮高速泵的作業(yè)特點(diǎn)，如果設(shè)備轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘10000 次以上，應(yīng)借助徑向軸承、軸向止推軸承進(jìn)行支承；如果設(shè)備轉(zhuǎn)速在每分鐘10000 次以下，應(yīng)借助向心推力滾動軸承進(jìn)行支承。潤滑設(shè)計(jì)原則上強(qiáng)調(diào)壓力和容量的兼顧，以高品質(zhì)潤滑油為基礎(chǔ)。以保證油路暢通為著眼點(diǎn)，又需要考慮潤滑油的過濾冷卻[2]。在離心泵作業(yè)的過程中，須嚴(yán)格避免齒輪之間出現(xiàn)干摩擦。設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮后齒輪油泵作用優(yōu)化，在該齒輪啟動的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)吸油作業(yè)同步化，以油泵為潤滑油提供壓力、過濾、冷卻等服務(wù)，確保潤滑油可借助油孔進(jìn)入高速泵各工作部分。高速泵的支承結(jié)構(gòu)中，軸承作用突出，該部分的潤滑也依賴油孔，設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)物理形式有效連接，并以齒輪作業(yè)的噴濺作用進(jìn)行潤滑輔助。

數(shù)字化部分在復(fù)合葉輪高速離心泵中應(yīng)用廣泛，作用包括參數(shù)監(jiān)控、實(shí)時(shí)信息呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程控制等，設(shè)計(jì)上采用有線通信模式，利用分布于高速泵各處的傳感器，對高速泵作業(yè)態(tài)勢進(jìn)行收集，以通信線路進(jìn)行信息傳輸，以轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，使傳感器信息被加工成可讀取的計(jì)算機(jī)語言，最后由數(shù)字化顯示器給予呈現(xiàn)。設(shè)計(jì)上重視組織框架穩(wěn)定、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整，借助嵌入技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能層面的運(yùn)用，或以集成技術(shù)建立遠(yuǎn)程控制模式。

1.3 主要參數(shù)計(jì)算

在上述設(shè)計(jì)原則、方法要求下，需要就三個(gè)方面參數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算，一是工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，是否可始終保持轉(zhuǎn)速維持在額定值波動空間內(nèi)。二是汽蝕破壞問題分析，裝置汽蝕比轉(zhuǎn)速，應(yīng)在誘導(dǎo)輪的汽蝕比轉(zhuǎn)速的0．74 倍左右。三是高速泵的比轉(zhuǎn)速波動范圍應(yīng)在40-70 之間。落實(shí)到設(shè)計(jì)活動中，上述參數(shù)服務(wù)于高速泵效率提升，考慮各類固定因素影響，可獲取高速泵的效率計(jì)算式：

X=1/（1/AB+C/D+0．05）

其中，X 代表效率，A 代表容積效率、B 代表水力效率、C 代表摩擦功率、D 代表有效功率，0．05 為其他參數(shù)影響下的通用系數(shù)，帶有一定的可變性，但整體穩(wěn)定，如老化參數(shù)、高程差異等。以提升高速泵的工作可靠性為目標(biāo)，需考慮離心輪入口動壓，其計(jì)算式為：

Y=E2/2g+G2/2g

式中，Y 代表離心輪入口動壓，E 代表液流速度（取平均值）、G 代表相對速度，g 代表重力加速度（取固定值）。

2 模擬實(shí)驗(yàn)

在上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論論證，以計(jì)算機(jī)建立對比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健? 號復(fù)合葉輪高速離心泵采用1．1、1．2、1．3 中設(shè)計(jì)思路，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為后開門式。2 號復(fù)合葉輪高速離心泵采用常規(guī)設(shè)計(jì)，不對參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算，僅從結(jié)構(gòu)上保證離心泵完整，特點(diǎn)為后拉式。

1 號泵參數(shù)：作業(yè)高度130m，每小時(shí)提供11 立方米水量，轉(zhuǎn)速7000r/min。

2 號泵參數(shù)：作業(yè)高度130m，每小時(shí)提供11 立方米水量，轉(zhuǎn)速7000r/min。

兩組工作參數(shù)相同。借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行平行對照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1 號泵作業(yè)效率為51%，2 號泵作業(yè)效率為42%，這表明，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響復(fù)合葉輪高速離心泵的工作效率。后續(xù)工作中，需要考慮對核心結(jié)構(gòu)、輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合分析，以保證離心泵具有高效作業(yè)能力[3]。

3 結(jié)語

綜上，復(fù)合葉輪高速離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響作業(yè)效率，應(yīng)對各部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行分析。核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮過流部分、密閉性和軸向力分析，輔助部分則要求考慮支承結(jié)構(gòu)、數(shù)字化設(shè)備功能。以工作要求為基礎(chǔ)，做詳細(xì)參數(shù)計(jì)算，保證復(fù)合葉輪高速離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。模擬實(shí)驗(yàn)證明了上述理論價(jià)值。