CN107829941A - 一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵 - Google Patents

一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵，属于离心泵领域。该离心泵包括泵轴，所述泵轴两端分别设置轴承箱组件。本发明采用无平衡孔和背叶片的半开式叶轮，避免二次流影响泵内的流场分布；叶轮的叶片为径向直叶片，由13～15片长叶片和13～15片中叶片均匀间隔布置，扬程系数高，避免了闭式叶轮叶片数少，叶轮流道扩散度大，叶轮出口处回流导致扬程曲线易出现驼峰；两组叶轮对称布置，两组叶轮之间节流衬套的长径比为1.3～1.6，增强了液膜的支撑作用，提高了转子的湿临界转速。泵体为轴向剖分式，转子动平衡合格后不解体，直接装入下泵体内，动平衡精度和零件的同心度无变化。

Description

一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵
技术领域
本发明涉及离心泵技术领域，特别是涉及一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵。
背景技术
流量30～50m3/h、扬程1500～2000m的泵在石化、合成氨、发电等行业属于关键泵，对高压往复泵，即使采用五缸或七缸，都无法克服输液脉动对工艺生产的不利影响，由于大功率高压往复泵存在故障率高、体积庞大、价格昂贵的缺陷，各国都将研制重点放在离心泵上。但这种超低比转数离心泵是泵行业公认的技术难题之一，一直困扰着这种离心泵的研制和发展，这是因为这种参数的离心泵有很多特殊的技术难题：大直径窄流道闭式叶轮制造难度大、泵效率低、扬程曲线易出现驼峰，造成泵在小流量区运行时不稳定、轴功率曲线比常规离心泵上升得快，大流量时电机易过载。
为解决上述技术难题，现有技术方案有三种：
一是增加泵的级数：使单级的比转数增加。但是，对小流量泵而言，如级数过多，泵轴细长，泵轴的刚度降低，易造成泵内小间隙处发生咬合卡死事故，降低运行可靠性。
二是高速化：这是因为比转数与转速成正比，提高转速也可改善低比转数泵的性能。但是，对于上述流量、扬程，用胜达因高速泵，转速将接近或超过每分钟二万转，制造水平要求很高，泵价昂贵。某泵制造厂样本上，流量25m3/h、扬程1250m，转速20600r/min。在石化行业，对于上述参数的离心泵采用高速泵的比例很小。仅管升转速、减级数、降成本是离心泵技术发展的趋势，但火电行业高压锅炉给水泵的最高转速仅6500r/min，Flowserve公司CA系列核电用安注泵的最高转速仅6000r/min。
三是采用半开式叶轮：叶型用多叶片、径向直叶片，扬程系数高于常规后弯叶片，目前ITT、Flowserve等知名泵公司在单级小流量离心泵上早已使用。API 610-2010版开始允许使用半开式叶轮，并指出“由于半开式叶轮少了一个盖板的园盘摩擦损失，可以提高效率”。对小流量泵，这种半开式叶轮制造精度易保证，克服了我国小流量泵大多用闭式叶轮，叶片数仅5～7片，由于叶轮流道扩散度太大，叶轮出口处出现回流，导致小流量至零流量区域的扬程曲线存在驼峰。但是现有技术的这种半开式叶轮，为了平衡轴向力，在轮盘上开了大量的平衡孔，出现二次流影响泵内的流场分布，降低了泵效率。本世纪初，苏尔寿公司为避免此缺陷进行了改进，开发出的OHHL型单级半开式叶轮小流量泵取消了叶轮盘上的大量平衡孔，仅保留叶轮轮毂处的平衡孔，但是为了平衡单级叶轮的轴向力，增加了背叶片，泵效率将减少2～5个百分点。美国胜达因公司高速离心泵叶轮的传统结构是6～8片径向直叶片，轮盘上开很多平衡孔，出现二次流影响泵内的流场分布，降低了泵效率。胜达因公司的新改进是用24片径向直叶片，取消轮盘上的平衡孔，因为是单级叶轮高速泵，为平衡轴向力，保留叶轮的轮毂处的平衡孔。可见现有技术的半开式叶轮小流量泵，叶轮的轮毂处都有平衡孔，从平衡孔泄漏的液流与进入叶轮的主液流相冲击，破坏了进口液流的正常流动状态，会降低泵的抗汽蚀性能。
2014.11.19公布的“水力部件对称布置可靠性高的核电化容补水泵”发明专利申请说明书(公布号CN 104154027A)，是针对流量34m3/h、扬程1800m的补水泵，为反应堆冷却水***提供补充水。水温60℃泵进口压力不高，为常压贮水槽的水柱静压，无汽蚀问题，首级叶轮用单吸式合理。此泵为双层筒体BB5型泵，13级叶轮分成两组，叶轮背对背对称布置平衡轴向力，取消了现有化容补水泵的平衡鼓，设计合理。但此发明专利还存在不足，一是小流量泵用闭式叶轮，流道窄长，叶片数只能少，扬程系数必然比径向多叶片半开式叶轮的低，叶轮外径要加大，高压外筒体制造成本上升；二是窄流道闭式式叶轮铸造难，流道精度不易保证；三是设计者为了防止13级叶轮转子两端支撑的间距过大，转子中间的节流衬套的长度很短。因为节流衬套两端的压差接近泵总压差的一半(90bar)，通过节流衬套的泄漏量与节流衬套的长度成反比，造成内泄漏量加大；中央衬套液膜的支撑，提高湿临界转速的作用也未能有效利用。
2017.2.22公布的“半开式叶轮及使用该叶轮的小流量超高扬程的多级离心泵”发明专利申请说明书(公布号CN 106438457 A)，也是针对流量34m3/h、扬程1800m的补水泵，也是双层筒体BB5型泵，13级叶轮为径向多叶片半开式叶轮，这是在多级离心泵上采用了API 610-2010标准条款6.6.1指出的“由于半开式叶轮少了一个盖板的园盘摩擦损失，可以提高效率”的观点，国内外少见，有创新。但也存在不足，一是为平衡轴向力，将单级小流量泵在叶轮轮盘上开大量平衡孔的结构用在了多级泵上，将出现二次流，影响泵内的流场分布，降低泵效率。从叶轮的轮毂处平衡孔泄漏的液流与进入叶轮的主液流相冲击，破坏了进口液流的正常流动状态，会降低泵的抗汽蚀性能。二是叶轮按同向布置，需要借助平衡鼓来平衡轴向力。从该发明专利申请说明书的附图1半开式叶轮可以看出，叶轮的叶片进口机加工成棱边费既时，又无必要，叶片进口是平头部，对入流有冲击，叶片进口过流面积较小,进口流速较高，对改善抗汽蚀性能不利。
这两项中国国家知识产权局审查中的发明专利还存在共同的不足：泵转子动平衡合格后，所有叶轮都要从轴上拆下来，再将各级导叶体和叶轮等装配成芯包，要保证配合间隙和动平衡精度完全不变不容易。转子检修时，整个芯包要从外筒体内抽出来，整个芯包也要逐级拆卸，修理，泵转子动平衡合格后，又要重复上述装配过程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述两项针对超低比转数多级离心泵发明专利的不足，提供结构合理可靠的一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵。
为实现上述目的，本发明技术方案的基本构思是，多级离心泵上采用效率高、扬程系数高、易制造的半开式叶轮，取消在单级小流量离心泵上采用半开式叶轮上的平衡孔和背叶片。两段叶轮的叶片为径向直叶片，由13～15片长叶片和13～15片中叶片均匀间隔布置，避免了闭式叶轮叶片数很少，叶轮流道扩散度太大，叶轮出口处出现回流，导致小流量至零流量区域的扬程曲线存在的驼峰。半开式叶轮最经济的制造方法是精铸，精铸形成的叶片进口园头部，减少对入流的冲击，为使中叶片加长,又避免叶片进口过流面积小,两种叶片的进口段向进口减薄,叶片的头部为精铸园头,减少对入流的冲击。两组半开式叶轮背对背对称布置平衡轴向力。转子中间的节流衬套的长度加长，使长径比增大到1.3～1.6，减少了约一半总压差引起的中间节流衬套处的内泄漏，并增强了段间衬套和轴套之间液膜的支撑作用(“洛马金”效应)，提高了转子的湿临介转速。
大多数石化装置都副产高压蒸汽，工程设计上都首选汽轮机驱动机泵，汽轮机的转速高于3000r/min。当本发明的离心泵用汽轮机驱动时，泵转速升高，为达到相同的总扬程，泵的级数减少，转子双支撑的间距缩短，湿临介转速提高，保证了湿临介转速与运行转速的比值足够大，泵的运行可靠。
泵体采用轴向剖分式，转子动平衡合格后不解体，直接装入下泵体内，动平衡精度和零件的同心度无变化。转子检修时，只吊开上泵体，不拆下泵体上的进出口接管，就可检查叶轮状况和口环、节流环处的间隙。本发明应用了这种已有技术，并已在我公司国内外项目上已成功使用，但不属于本专利的保护范围。
因此，本发明技术方案的创新点是：
一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵，包括泵轴、驱动端轴承箱部件、下泵体、上泵体、低压段叶轮、导叶体、隔板、中间节流衬套、中间轴套、高压段叶轮、机封部件、非驱动端轴承箱部件，其特征在于：所有叶轮均为轮盘上无平衡孔和背叶片的半开式叶轮，所有叶轮的叶片为径向直叶片，由13～15片长叶片和13～15片中叶片均匀间隔布置；低压段和高压段叶轮对称布置；在两段叶轮之间的中间节流衬套和中间轴套的长径比为1.3～1.6。
本发明的有益效果在于：
1.由于半开式叶轮少了一个盖板的园盘摩擦损失，效率高于常规闭式叶轮。
2.取消了半开式叶轮上的大量平衡孔和背叶片，避免了平衡孔和背叶片所造成的泵效率降低，避免了从叶轮的轮毂处平衡孔泄漏的液流降低泵抗汽蚀性能的缺陷。
3.由于由13～15片长叶片和13～15片中叶片均匀间隔布置，叶轮流道扩散度小，避免了常规小流量离心泵叶轮出口处出现回流，导致小流量至零流量区域的扬程曲线存在的驼峰。
4.转子中间的节流衬套的长径比增大到1.3～1.6，增强了段间衬套和轴套之间液膜的支撑作用，提高了转子的湿临介转速。根据节流衬套两端的介质压差、节流衬套内径、节流衬套与轴套之间的间隙和节流衬套的长度，介质的泄漏量，用泵手册上的传统公式计算：
Q＝πdh3ΔP/12μL
式中：Q—泄漏量，m3/h；d—节流轴套外径；h—节流衬套与轴套之间的间隙；
ΔP—节流衬套两端的介质压差；μ—介质动力粘度；L—节流衬套的长度
从上式可知，泄漏量Q与节流衬套的长度L成反比，由于节流长度加长，减少了段间泄漏量。
下面结合附图，对本发明的具体实施方案和实施效果作进一步描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1是本发明实施例提供的一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的半开式叶轮的结构图；
图3是本发明实施例提供的半开式叶轮的另一结构图。
图中：泵轴1、驱动端轴承箱组件2、非驱动端轴承箱组件3、低压段叶轮组4、高压段叶轮组5、叶轮6、中间轴套7、中间节流衬套8、隔板9、导叶体10、上泵体11、下泵体12、密封组件13。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参见图1、图2、图3，为本发明实施例提供的一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵，如图1、图2所示，该离心泵包括泵轴1，所述泵轴1两端分别设置驱动端轴承箱组件2以及非驱动端轴承箱组件3；
所述低压段叶轮组4和高压段叶轮组5均包括套装于所述泵轴1上的多个叶轮6；所述泵轴1上位于所述低压段叶轮组4和高压段叶轮组5之间设置有中间轴套7，所述中间轴套7外部套装有中间节流衬套8；所述中间轴套7和中间节流衬套8的长径比为1.3～1.6；
所述叶轮6包括无平衡孔和无背叶片的叶轮主体以及多片径向直叶片；多片所述径向直叶片包括设置于所述叶轮主体上均匀间隔设置的13～15片长径向直叶片以及13～15片中径向直叶片；
其中，所述低压段叶轮组4包含的多个所述叶轮6的叶片均朝向所述驱动端轴承箱组件；所述高压段叶轮组5包含的多个所述叶轮6的叶片均朝向所述非驱动端轴承箱组件。
进一步的，所述低压段叶轮组4以及高压段叶轮组5均包括多个设置于两个叶轮之间的隔板9以及导叶体10。还包括设置于所述低压段叶轮组4以及高压段叶轮组5外部的可拆卸相连的上泵体11以及下泵体12。所述泵体两端分别设置有用于安装机械密封的密封组件13。所述驱动端轴承箱组件外露泵轴头与驱动机通过联轴器相连。
为了更清楚的理解本发明，现以前面两项发明专利所针对的补水泵参数(流量34m3/h、扬程1800m、介质温度60℃、介质比重为0.983)为例，给出本发明的具体技术细节。
对于上述泵参数，为确保本发明的实施方案稳妥可靠，本发明人利用了一种合适的单级半开式叶轮小流量泵定型产品进行改型设计。
2×3×10型单级半开式叶轮小流量泵技术参数表(比转数＝29.2，叶轮外径254mm，n＝2910r/min)
流量Q，m3/h 5 10 15 20 25 30
扬程H，m 117.8 116.9 115.1 114 109.1 100.3
效率η，％ 15.6 27 35.3 40.5 44.8 43.4
汽蚀余量NPSH3，m 1 1.04 1.08 1.12 1.2 1.8
轴功率P,kW 10.3 11.79 13.32 15.3 16.6 18.9
用9级叶轮，单级扬程H＝200m，按上表流量25m3/h的扬程H＝109.1m换算改变转速时泵的性能，按关醒凡著.现代泵理论与设计[M]中国宇航出版社，2011年
求转速：H＝200m＝109.1×(n÷2910)2，计算出n＝3940r/min
转速升为3960r/min时的流量Q＝25×(3960÷2910)＝34.02m3/h
转速3960r/min时的单级扬程H＝200×(3960÷3940)2＝202m，
9级叶轮的总扬程＝1818m，转速3960r/min满足流量34m3/h、扬程1800m的要求。
升转速后效率按上述“现代泵理论与设计”手册P.65的公式计算，效率η＝46.1％。
轴功率P＝0.983×34×1800÷3.6÷102÷0.461＝355.4kW。
如用电机选400kW，富裕度1.13，符合API 610标准，富裕度1.1的要求。
用于石化装置，首选汽轮机驱动，不需减速齿轮箱，如汽轮机转速高于3942r/min，需减少该泵的级数。如用电机驱动，首选市场上已有的高速变频电机，也不需增速齿轮箱。
对本发明泵体采用轴向剖分式的说明。用这种型式的泵体检修方便，检修时可保证转子动平衡精度和零件的同心度无变化，已成为当今世界上多级泵大力发展的泵型，美国BECHTEL JACOBS公司2007年使用的泵体轴向剖分式DMXD-K(BB3)型贫胺液泵，出口压力高达389.5bar。本发明人所在公司制造的泵体轴向剖分式BB3型海水泵，出口压力179bar，已在中海油堪江公司海上平台上成功运行两年多。本实施例的泵出口压力为181bar，泵体采用轴向剖分式在技术上是可行、安全的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种小流量超高扬程轴向剖分半开式叶轮多级离心泵，包括泵轴（1）、驱动端轴承箱部件（2）、非驱动端轴承箱组件（3）、低压段叶轮组（4）、高压段叶轮组（5）、叶轮（6）、中间轴套（7）、中间节流衬套（8）、隔板（9）、导叶体（10）、上泵体（11）、下泵体（12）、密封组件（13），其特征在于：所有叶轮均为轮盘上无平衡孔和背叶片的半开式叶轮，所有叶轮的叶片为径向直叶片，由13~15片长叶片和13~15片中叶片均匀间隔布置；低压段和高压段叶轮对称布置；在两段叶轮之间的中间节流衬套和中间轴套的长径比为1.3～1.6。
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