高溫高入口壓多級自平衡離心泵

摘要：自平衡多級泵為API 610 BB5結構雙殼體節段式離心泵，通過葉輪對稱背對背布置，可在不設置平衡盤的情況下，自動平衡軸向力，減小了泵運轉過程中平衡盤磨損故障率。泵外殼體進水側和出水側采用等壓設計，整體按最大設計壓力進行靜水壓試驗，可承受高達10MPa的吸入壓力。泵的進、出口均垂直向上布置，內殼體采用整體抽芯結構設計，可在不拆卸進出口管線的情況下對泵（機械密封、軸承體等）進行檢修維護。本文介紹了泵主要零部件的設計過程、這種結構的優點以及發展前景等。

關鍵詞：高溫;高吸入壓力;多級自平衡

0 ?引言

高溫、高壓自平衡多級離心泵是水泵行業為滿足用戶需要，加速高壓多級泵技術發展，采用國外同類產品的先進技術結合我公司在行業多年設計經驗，使用國家推薦的高效節能產品的水力模型，依據API610標準研究開發的高溫、高壓多級離心泵產品;可靠性大大提高，無故障運行時間是普通泵的3倍以上，降低了維修成本，延長了泵的壽命周期。

1 ?自平衡離心泵結構及技術參數

1.1 結構概述

泵的結構為雙殼體、節段式多級結構，中心線支撐，進、出口等壓設計、垂直向上布置。

葉輪和軸間隙配合，卡環逐級定位，葉輪背靠背對稱布置，可自平衡軸向力，殘余軸向力由一對背靠背安裝的滾動軸承承受;泵轉子的重力和由不平衡力矩產生的離心力由兩端的徑向軸承承受。

葉輪定位卡環采用分半式結構，便于拆裝。泵的葉輪密封環、殼體密封環口環、平衡軸套和平衡套采用專利材料組成小間隙摩擦副，材料耐磨性好，抗咬合，抗疲勞。

泵筒體與兩端泵蓋之間采用金屬纏繞墊密封，纏繞墊加金屬隔墊的方法可以解決泵殼和泵芯之間溫差而引起的膨脹不同步問題。主螺柱和螺母采用高強度合金鋼制造，螺柱上設有拉伸螺紋，可以使用專用工具螺栓拉伸器進行拆卸，不但保護了螺紋，而且保證了泵各個螺柱產生的壓力相等。

泵組采用稀油自油潤滑系統，用甩油環潤滑。徑向軸承：軸瓦，推力軸承：背對背向心推力球軸承，止推軸承在二個方向具有相同的止推能力，軸承使用壽命高達25000小時。采用銅制迷宮式防塵盤，防塵盤采用迷宮結構，迷宮凹槽處設有回流孔，積累下來的液體不會向外泄露，同時防止油水混合。軸承體采用大油池水冷卻型式，能夠使軸承在運轉過程中更好的潤滑及散熱，延長軸承的使用壽命。

聯軸器安裝處采用圓錐型軸頭設計，便于聯軸器的拆裝。泵與電機之間采用帶加長節的膜片式聯軸器聯接，并帶有無火花防護罩，可在不移動泵及電機的條件下對機封等易損件進行維修更換。

泵的機械密封按照API682標準配置，密封為平衡型、集裝式高壓機械密封，拆裝簡便。密封腔體尺寸按照API標準設計，有良好的互換性。機械密封的選用滿足工藝使用條件。正常工作時，單個機械密封的泄漏量不大于3ml/h，壽命至少為25000小時。密封沖洗系統采用API682PLAN23方案。

1.2 技術參數

主要技術參數：流量161m3/h、揚程939m、溫度200℃、轉速2980rpm、P入為7MPa、P出為15MPa、相對密度0.8688。

2 ?設計與強度計算

2.1 模型選擇

設計參數：Q=161m3/h=0.0447m3/s，H=939m（i=8級，Hi=120m），n=2980r/min，η=72%。通過計算及選擇，選用具有相同比轉速ns=64.5的高效水力作為原型，根據經驗選擇比轉速相近，且之前生產試驗過的高效水力原型，進行相似換算，得到所需的模型。

2.2 過流面積計算

對各過渡段處的流速進行計算：入口流速：V1=2.53m/s;出口流速：V2=5.7m/s;導葉出口流速：V3=12.2m/s;中間過流段流速：V4=11.7m/s;筒體環形腔流速：V5=5.3m/s。

3 ?主要零件分析計算

3.1 軸徑計算

泵軸材料30Cr13，通過計算校核，泵軸的最小軸徑為Φ49mm，實際最小軸徑Φ80mm，安裝葉輪處選用GB/T1567-2003薄型平鍵，寬度b=14mm。

3.2 葉輪蓋板強度計算

葉輪蓋板中的應力主要是由離心力引起的，如葉輪的前后蓋板是等厚的，半徑越小的地方，圓周應力越大。

通過計算校核，葉輪蓋板的最小厚度δx=5.15mm，實際蓋板厚度δ=5.5mm。

3.3 鍵強度計算

泵軸聯軸器處鍵的材料為30Cr13，選用GB/T1096-2003普通型平鍵，鍵寬b=20mm，通過計算校核，該處的擠壓應力σj=72.2MPa≤225～300（MPa），切應力τ=36.1MPa≤[τ]=90～135（MPa），鍵的強度滿足要求。

3.4 筒體強度計算

外筒通常都設計成厚壁筒（即筒外內徑之比R2/R1>1.2）因此可按承受內壓的厚壁筒來進行外筒壁厚的計算。

筒體的材料為20MnMo，通過計算，筒體的最小厚度δmin=70mm，根據結構需要，實際筒體厚度δ=140mm。

分別對內壁的應力、外壁應力進行強度校核，內壁應力比：n=σs/σd=1.86>（1.7～2.5），外壁的應力比：n=σs/σd=305/104=2.93>（1.7～2.5）。

3.5 中段強度計算

對于雙殼體泵，其第一級中段承受最大的內壓力（相當于i-1級揚程），在進行強度計算時，把中段當作承受內壓的圓筒，筒的一端是自由的，另一端被約束住。

中段的材料為12Cr13，通過計算，中段壁厚s=28.6mm，根據結構需要，實際中段壁厚s=33.5mm，應力比n=1.6。

3.6 泵蓋強度計算

泵等壓設計，兩端泵蓋的承壓相同，分別計算：徑向界面彎矩M=147103Nm;

系數：I1=I4=254.5cm2，I2=24.9cm，I3=3299.7cm3

徑向截面轉角：φ=1×10-3rad

中性軸y0位置：a=-6.7cm

E點的最大應力：σE=149.2MPa，n=2.04>2～3

K點的最大應力：σK=84.8MPa

E點的徑向位移：？駐y=φz0=1×10-3×6.7cm

通過計算，泵蓋法蘭厚度h=76mm，實際h=150mm。

由于泵等壓設計，吸入口壓力7MPa，且輸送介質溫度最高200℃，泵蓋設計帶密封腔水冷夾套，通過計算，水冷夾套最小厚度s=15.6mm，根據結構需要，實際厚度s=50mm。

3.7 泵蓋螺栓的強度計算

泵蓋螺栓螺紋規格選擇M56×2，材料為42CrMo，通過計算：密封力：p2=37.12MPa;螺栓預緊力：P0=3.96×106N;螺栓總作用力：P1=4.3×106N;

強度校核，在裝配條件下：扳手力矩：M=3772Nm;拉應力：σ1=116.5MPa;扭矩：Mn=745Nm;切應力：τ=26.5MPa;折算應力：σd=125.2MPa;安全系數：n=5.19>1.5-3;墊片擠壓強度σj=37.2MPa<588.4MPa

3.8 軸向力計算

已知：流量Q=161m3/h、單級揚程H1=117.4m、級數i=8、轉速n=2980r/mim

葉輪直徑D2=306mm、葉輪輪轂直徑dh=106mm;首級葉輪密封環直徑Dmi=185mm、葉輪進口直徑Dj=164.5mm;次級葉輪密封環直徑Dmi=180mm、葉輪進口直徑Dj=158.7mm;

計算下列參數：葉輪外徑圓周速度u2=47.7m/s;水力效率（Q/n）1/3=0.87;理論揚程Ht=134.9m;勢揚程Hp=95.6m;估算容積效率ηv=176.9m3/h。

葉輪前后蓋板壓力差產生的軸向力F1：首級：F1`=1154.1kg;次級：F1``=1058kg;末級：F1``=1058kg。

液流作用在葉輪上的動反力F2：首級：F2`=16.5kg;次級：F2``=18.8kg;末級：F2```=18.8kg。

總的軸向力F：首級葉輪軸向力：F`=1137.6kg;次級葉輪軸向力：F``=1039.2kg;末級葉輪軸向力：F```1039.2kg;總的軸向力：F=964N;總軸向力指向泵軸伸端，選用7315BECB型單列角接觸球軸承，額定載荷為132000N，泵的殘余軸向力由推力軸承承受。

3.9 平衡鼓尺寸計算

總的軸向力：F=964N，uh=12.8m/s;壓差：Δp=32.5kg/cm2;計算平衡鼓外徑：Dd=102.5mm，根據結構Dd=105.5mm。

中間軸套泄漏量：q=6.2m3/h，q/Q=3.9%;過流面積：Fm=8.321×10-5;流量系數：μ=0.216;壓力降：Hm=469.5m。

4 ?結語

高壓對稱節段式自平衡離心泵將傳統多級離心泵的結構形式進行了創新，取消了多級離心泵的軸向力平衡機構，是采用平衡盤或平衡鼓結構的多級離心泵最好的替代品。由于無平衡裝置，即無平衡盤的圓盤摩擦損失又無平衡回流損失，所以泵效率比同類別多級泵提高5-14%，同時徹底解決了因平衡裝置失效而導致平衡盤和平衡套的磨損和轉子抱死等各種故障，延長了泵的使用壽命。該泵的結構型式采用國際上先進的API610BB5結構，安全可靠性高、應用范圍廣?，F今市場上該類型泵多采用進口（福斯、蘇爾壽等），泵的價格高、生產周期長、備件提供不及時且價格高。該項目的研制，對于我公司技術的發展具有積極的推動作用，填補了此領域的技術空白，打破了國外技術壟斷，可廣泛應用于煉油、化工領域的高溫、高入口壓凝液泵等裝置。具有很廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1]關醒凡.現代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社， 2011.

[2]沈陽水泵研究所，中國農業機械化科學研究院.葉片泵設計手冊[M].機械工業出版社，2000，12.

[3]離心泵設計基礎[M].機械工業出版社，1974.

作者簡介：姚瀚（1988-），男，遼寧黑山人，本科，工程師，從事泵研發設計工作。