大型离心泵的结构与运行

赵万勇
(甘肃工业大学流体机械及流体动力系，甘肃兰州730050)

　　摘　要：针对提灌和城市供水泵站使用的大型离心泵出现的泵轴和密封环损坏以及电机窜轴等问题，理论分析是由于单蜗室泵在偏离设计工况下运行形成径向力所致，故建议实际运行时应使泵在设计工况下运行，并且在制造大型离心泵时可采用双蜗室结构以尽可能消除径向力，以使泵运行平稳。
　　关键词：离心泵；径向力；蜗室
　　中图分类号：TU992.25
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)07-0058-04

　　我国北方地区由于地形特点所需提灌泵站扬程都较高，一般都超过1 MPa，有些还是多级泵站，大多选用双吸离心泵。一些大城市因供水量大、管路长，也都选用大型双吸离心泵供水。这种泵耐汽蚀与受力性能都较好，运行平稳，维修方便。但在运行中也常出现一些问题，如泵轴与轴套接触的表面，以及轴套端面等处易发生疲劳破坏，对轴需进行喷涂合金粉末修复才能继续使用，否则就要报废。另外，有的泵站为了抗磨蚀的需要，将材质为铸铁的密封环换成了低碳钢板制成的密封环，从泵启动到打开，出口阀门之间常发生抱轴现象，泵体密封环和叶轮密封环之间粘接，必须加大密封环间隙才能正常启动，而密封环间隙加大就会降低容积效率，影响泵站的经济运行。上述问题在大型泵站时有发生，困扰着安全正常运行，需要从根本上加以解决。

1　原因分析

　　了解发现，国产的大型双吸离心泵几乎都是单蜗室泵，即采用螺旋形压水室。造成使用螺旋形压水室的原因有两方面，其一是设计方法，一般对于大型泵可靠的设计方法是相似换算，即选取一个各方面性能优良、泵型和比转数相同的小泵作为模型泵，相似放大流道尺寸，通常小泵是单蜗室也就造成了大泵也是单蜗室；其二是追求泵的高效率，因担心使用双蜗室等其他结构会增加过流表面，增大水力损失而降低效率。当然单蜗室泵具有制造比较方便、泵性能曲线高效区域比较宽、车削叶轮后泵效率降低比较小等优点，所以多数大型离心泵仍采用单蜗室结构。
　　单蜗室泵在偏离设计工况运行时，水力上会产生与泵轴垂直方向的径向力。特别是大型泵在启动(零流量)时，将产生很大的径向推力作用于叶轮上，造成过度增加轴的挠度，这能引起密封环的快速磨损，或者对于使用粘性材料的密封环将发生咬合粘接，造成事故。挠度过大会造成泵轴与电机轴偏心，使电机窜轴。同时，径向力对于转动轴是一个交变载荷，在轴承跨度较大的双吸泵内，由于金属材料的疲劳，常常发生泵轴的损坏。
　　根据以上分析可知，目前大型离心泵所发生泵轴和密封环损坏的原因，是单蜗室泵在偏离设计工况或零流量下运行时形成的径向力所致。

2　径向力的产生和计算

2.1　径向力的产生原因
　　在设计螺旋形压水室时，设计思想是在设计流量下液体从叶轮中均匀流出，并在蜗室中作等速运动，即蜗室只起收集液体的作用，在扩散管中才将液体的一部分动能变为压能，因此，螺旋形压水室是在一定的设计流量(Qd)下为配合一定的叶轮而设计的。设计的蜗室断面面积为线性变化，在设计流量下蜗室可以基本上保证液体在叶轮周围做均匀的等速运动，此时叶轮周围压力大体是均匀分布的，在叶轮上面也就不会产生径向力，叶轮和蜗室是协调一致工作的。
　　但是，无论是城市供水还是提水灌溉，需水量都有高峰和低谷。还有泵站设计者为可靠起见，给泵参数都留有余量，泵设计时一般也有余量，这样，泵实际运行时，常常偏离设计工况(偏大流量)。因此，不论泵在大流量或小流量下运行，叶轮和蜗室协调一致的工作状态就会遭到破坏，在叶轮周围液体的流动速度和压力分布变得不均匀便形成了作用在叶轮上的径向力。如泵流量小于设计流量时，蜗室内液体流动速度必定减慢，另外，从叶轮出口速度三角形图(见图1)可看出，叶轮的出口速度不是减小反而增加了，方向也发生了变化。此液流和蜗室中的液流因速度大小和方向不同发生撞击，其结果使流出叶轮液体的速度下降到蜗室里液体的流动速度，同时把一部分动能通过撞击传给蜗室内的液体，使蜗室里液体压力增高，另一部分动能则在撞击过程中损失掉了。因此，液体从泵隔舌开始到扩散管进口的流动中不断受到撞击，不断增加压力，致使蜗室里压力从隔舌开始不断上升。而泵流量大于设计流量时则与之相反。因此，泵偏离设计工况造成压力分布不均匀是形成径向力的主要原因。

2.2　径向力的计算
　　目前尚无计算径向力的精确公式，为了计算径向推力，用测量轴的挠度，并用静负荷对轴的挠度进行标度的方法，可以确定径向力的大小，径向力可按下式计算：

　　　　　P=0.36［1-(Q／Qd)₂］HD₂B₂γ　　　　　(1)

　　式中　D₂——叶轮外径，m
　　　　　B₂——包括盖板的叶轮出口宽度，m
　　　　　γ——液体体积质量

3　工程实例

3.1 实际问题
　　甘肃某泵站一大型双吸离心泵，设计工况Q=3m³/s、H=560 kPa、n=600r/min、η=88%，采用单螺旋形压水室。实际运行的泵扬程为520 kPa，实际流量为3.5 m³/s，加上输送黄河含沙水造成的汽蚀与泥沙磨损破坏使报废铸铁密封环成鱼鳞坑和蜂窝状坑，深度为4～10mm，最深处可达12 mm以上，泵效率由88%下降到68%，其主要原因是密封环间隙加大致容积效率降低。
　　为解决密封环的严重磨损问题，在泵体密封环内加一个钢板制成的钢圈，经一年运行，最大磨损量不到0.4 mm(铸铁密封环达5 mm)，而且破坏痕迹明显减轻，可见钢板耐泥沙磨损性能明显强于铸铁。但叶轮和泵体密封环均为钢板时，从泵启动到打开泵出口阀门之间时常发生抱轴现象，又因泵密封环和叶轮密封环是咬合粘接，为安全起见将叶轮密封间隙从0.64 mm(设计间隙为0.36～0.64 mm)加大到1.2 mm才能正常启动。在泵启动时，具有滑动轴承的大型电机常发生电机转子轴向窜动问题，窜轴严重者，使电机轴瓦端面与轴肩摩擦，造成轴承温度过高而不能正常运行。
　　同时，该泵和泵站的其他双吸泵长期偏离设计工况运行，造成泵轴表面疲劳破坏致使泵轴报废。
3.2　理论计算与分析
　　①启动时泵轴产生的挠度
　　零流量时的径向合力由式(1)计算为：

　　　P=0.36×56×1.15×0.274×1040=6606.5 kg=64810 N

　　按对称支承计算轴的A处和B处(见图2)的挠度为：

　　　yA=P·l³／48EJ=0.949 mm
　　　yB=P·x／48EJ(3l²-4x²)=0.38 mm
　　式中　E——材料弹性模数
　　　　　J——轴断面惯性矩
　　由计算可知，该单蜗室泵在零流量下产生很大的径向力，致使泵轴的挠度在密封环处大于最大设计值0.64 mm(计算时未考虑转子约2000 kg的质量和轴套等的影响)，造成了钢板密封环粘接。实际运行时已加大到1.2 mm，可见该径向力已超出轴的设计刚度的承受能力，即使在铸铁密封环处未发生粘接，由计算可知磨损也是不可避免的，这也是应当防止的。

　　另外，在联轴器处(B处)造成了0.38 mm的泵轴和电机轴的偏心。由于原装为尼龙柱销联轴，而尼龙柱销压缩性很小，无法补偿启动时径向力造成的偏心，致使产生对电机转子的轴向推力，造成电机轴瓦端面与轴肩摩擦。改用弹性圈柱销联轴器后，由于橡胶弹性圈能补偿一定的偏心，经试验没有轴向力产生，电机不再窜轴。当然只是因补偿了偏心才解决了电机窜轴问题，并没有从根本上消除偏心，偏心问题仍会影响泵平稳运行。
　　②密封环间隙对效率的影响
　　不同的密封环间隙对泵效率的影响见表1。由于钢板组织细密、韧性好和不易脱落等优点，耐汽蚀和磨损明显优于铸铁，并且由表1计算可知，采用钢板密封环可减小泄漏量，提高容积效率16.5%，提高泵效率14.7%。

表1　不同密封环间隙下容积效率和泵效率的对比 口环间隙 效率 泄漏量 b(mm) η(%) ηv(%) ηmηh(%) q(m³/s) 0.64(设计值) 88.0 98.8 89.1 0.03580 0.4+0.64 86.8 97.4 89.1 0.08024 5.0+0.64 72.1 80.9 89.1 0.58000 1.2+0.64 84.3 94.7 89.1 0.16200 注：使用计算公式

　　　q／2=Dm·π·b／（1+0.5φ）^0.5（2gHm）^0.5+λL／2b
　　　ηv=(Q-q+q1)/(Q+q1) (q1=0.035 8m³/s)
　　　η=ηvηmηh
　　计算中设水力效率ηh和机械效率ηm不变，实际上是要降低的。

　　由于启动时径向力过大，为防止钢板密封环咬合，加大密封环间隙从0.64 mm到1.2 mm，却造成容积效率降低4.1%，泵效率降低3.7%。一般而言，提高大型泵效率的1%都是相当困难的，但经济效益却十分显著。如该提灌工程使用这样的大型泵就有100多台，由于采用单蜗室泵，加大了密封间隙，致使泵效率下降。
　　③偏离设计工况时的径向力
　　当流量Q=3.5m³/s时，径向力由式(1)计算为P=23 379.7 N，加上转动部件的质量，这些力对泵轴是交变载荷，能使泵轴产生疲劳破坏。
　　因此，泵轴和密封环的损坏以及电机窜轴等，均为径向力造成过大的泵轴挠度所为。对于单蜗室泵应避免偏离设计工况运行，如果是泵扬程偏大，可通过车削叶轮外径保证泵在设计流量下运行，并且应尽量减少泵频繁启动，以免过大的径向力对泵轴和密封环造成破坏。

4　大型离心泵的结构设计

　　由以上计算和分析可知，大型单蜗室泵在运行时产生较大径向力的弊端是无法完全消除的，根本的解决方法应当是在泵的设计时加以考虑，如可加粗泵轴和选用较好的材料，以增加轴的刚度，并加大支点的刚性，但这样也并未完全消除径向力。最好的办法是用水力方法在各种工况下平衡径向力，可采用导叶加蜗室的结构来平衡作用于叶轮上的径向力（见图3），这种结构相对复杂、维修不便，并增大了泵的体积，会增加泵站的下挖深度等。较为简单的是用结构对称的双蜗室来平衡径向力(见图4)。过去由于铸造技术水平有限，在中开面上的流道对准和清砂相对困难，随着科技进步，现在已不是难题。设计良好的双蜗室泵的效率接近单蜗室泵(在1%以内)，效率曲线更加平坦，而且当流量超过设计流量值时，泵效率的改善情况比在小流量工况时的更为显著。采用双蜗室泵体之所以能在大、小流量工况下改善效率，原因在于叶轮出口周围的压力分布比单蜗室中更加均匀，叶轮出流情况更好。在双蜗室中速度头转化为压力能发生在扩散管中，引导第一个蜗室中的液体流出的流道(第二个蜗室的外侧)是等断面的(见图4)，否则效率降低会超过1%。所以，大型离心泵设计为双蜗室能为高效安全运行创造条件。

　　　　　

5　结论

　　①大型单蜗室泵在启动时会形成较大的径向力，它可造成密封环磨损或粘接以及电机窜轴等问题，这一点是不容忽视的，应尽量避免频繁启动和偏离设计工况运行，以防形成过大的径向力。
　　②设计大型离心泵时，可采用结构对称的双蜗室压水室，能基本平衡径向力，消除因轴产生挠度而引起的问题，扩大泵的运行范围，提高容积效率。

参考文献：

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　　［2］关醒凡.泵的理论与设计［M］.北京：机械工业出版社,1987.
　　［3］薛建欣，等.联轴器对大中型电机窜轴的影响［J］.甘肃工业大学学报,1992，(2)：16-22.

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　　收稿日期：2000-09-21