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大型離心泵的結構與運行

浏览次数:752日期:2020-01-21

我國北方地區由於地形特點所需提灌泵站揚程都較高,一般都超過1 MPa,有些還是多級泵站,大多選用雙吸離心泵。一些大城市因供水量大、管路長,也都選用大型雙吸離心泵供水。這類泵耐汽蝕與受力性能都較好,運行平穩,維修方便。但在運行中也常出現一些題目 ,如泵軸與軸套接觸的表麵,和軸套端麵等處易發生疲憊破壞,對軸需進行噴塗合金粉末修複才能繼續使用,否則就要報廢 。另外,有的泵站為了抗磨蝕的需要,將材質為鑄鐵的密封環換成了低碳鋼板製成的密封環,從泵啟動到打開,出口閥門之間常發生抱軸現象,泵體密封環和葉輪密封環之間粘接,必須加大密封環間隙才能正常啟動,而密封環間隙加大就會降低容積效率,影響泵站的經濟運行 。上述題目在大型泵站時有發生 ,困擾著安全正常運行,需要從根本上加以解決。1 啟事分析  了解發現,國產的大型雙吸離心泵幾乎都是單蝸室泵 ,即采用螺旋形壓水室。造成使用螺旋形壓水室的啟事有兩方麵,其一是設計方法 ,一般對於大型泵可靠的設計方法是相似換算,即選取一個各方麵性能良好、泵型和比轉數相同的小泵作為模型泵,相似放大流道尺寸,通常小泵是單蝸室也就造成了大泵也是單蝸室;其二是尋求泵的高效率,因擔心使用雙蝸室等其他結構會增加過流表麵,增大水力損失而降低效率。當然單蝸室泵具有製造比較方便、泵性能曲線高效區域比較寬、車削葉輪後泵效率降低比較小等優點,所以多數大型離心泵仍采用單蝸室結構。  單蝸室泵在偏離設計工況運行時,水力上會產生與泵軸垂直方向的徑向力。特別是大型泵在啟動(零流量)時,將產生很大的徑向推力感化於葉輪上,造成過度增加軸的撓度,這能引發密封環的快速磨損,或者對於使用粘性材料的密封環將發生咬合粘接,造成事故。撓度過大會造成泵軸與電機軸偏心,使電機竄軸。同時,徑向力對於轉動軸是一個交變載荷,在軸承跨度較大的雙吸泵內,由於金屬材料的疲憊 ,經常發生泵軸的損壞。  根據以上分析可知 ,目前大型離心泵所發生泵軸和密封環損壞的啟事,是單蝸室泵在偏離設計工況或零流量下運行時形成的徑向力所致。2 徑向力的產生和計算2.1 徑向力的產生啟事  在設計螺旋形壓水室時,設計思想是在設計流量下液體從葉輪中均勻流出,並在蝸室中作等速活動 ,即蝸室隻起收集液體的感化,在擴散管中才將液體的一部分動能變為壓能,是以 ,螺旋形壓水室是在一定的設計流量(Qd)下為配合一定的葉輪而設計的。設計的蝸室斷麵麵積為線性變化,在設計流量下蝸室可以基本上保證液體在葉輪四周做均勻的等速活動,此時葉輪四周壓力大體是均勻分布的,在葉輪上麵也就不會產生徑向力,葉輪和蝸室是協調一致工作的。  但是,無論是城市供水還是提水澆灌,需水量都有高峰和低穀。還有泵站設計者為可靠起見,給泵參數都留有餘量,泵設計時一般也有餘量,如許,泵實際運行時,經常偏離設計工況(偏大流量) 。是以,不論泵在大流量或小流量下運行,葉輪和蝸室協調一致的工作狀況就會遭到破壞,在葉輪四周液體的活動速度和壓力分布變得不均勻便形成了感化在葉輪上的徑向力。如泵流量小於設計流量時 ,蝸室內液體活動速度必定減慢 ,另外,從葉輪出口速度三角形圖(見圖1)可看出,葉輪的出口速度不是減小反而增加了 ,方向也發生了變化。此液流和蝸室中的液流因速度大小和方向不同發生撞擊,其結果使流出葉輪液體的速度下降到蝸室裏液體的活動速度 ,同時把一部分動能通過撞擊傳給蝸室內的液體,使蝸室裏液體壓力增高,另一部分動能則在撞擊過程中損失掉了。是以,液體從泵隔舌開始到擴散管進口的活動中不斷受到撞擊,不斷增加壓力,導致蝸室裏壓力從隔舌開始不斷上升。而泵流量大於設計流量時則與之相反。是以,泵偏離設計工況造成壓力分布不均勻是形成徑向力的首要啟事。

2.2 徑向力的計算  目前尚無計算徑向力的精確公式,為了計算徑向推力,用丈量軸的撓度,並用靜負荷對軸的撓度進行標度的方法 ,可以確定徑向力的大小,徑向力可按下式計算:     P=0.36[1-(Q/Qd)2]HD2B2γ     (1)

  式中 D2——葉輪外徑,m     B2——包括蓋板的葉輪出口寬度,m     γ——液體體積質量3 工程實例3.1 實際題目  甘肅某泵站一大型雙吸離心泵,設計工況Q=3m3/s、H=560 kPa、n=600r/min、η=88%,采用單螺旋形壓水室。實際運行的泵揚程為520 kPa,實際流量為3.5 m3/s,加上輸送黃河含沙水釀成的汽蝕與泥沙磨損破壞使報廢鑄鐵密封環成魚鱗坑和蜂窩狀坑,深度為4~10mm,最深處可達12 mm以上 ,泵效率由88%下降到68%,其首要啟事是密封環間隙加大致容積效率降低。  為解決密封環的嚴重磨損題目,在泵體密封環內加一個鋼板製成的鋼圈,經一年運行,最大磨損量不到0.4 mm(鑄鐵密封環達5 mm),而且破壞痕跡明顯減輕,可見鋼板耐泥沙磨損性能明顯強於鑄鐵。但葉輪和泵體密封環均為鋼板時,從泵啟動到打開泵出口閥門之間時常發生抱軸現象,又因泵密封環和葉輪密封環是咬合粘接,為安全起見將葉輪密封間隙從0.64 mm(設計間隙為0.36~0.64 mm)加大到1.2 mm才能正常啟動。在泵啟動時,具有滑動軸承的大型電機常發生電機轉子軸向竄動題目 ,竄軸嚴重者,使電機軸瓦端麵與軸肩摩擦 ,造成軸承溫度過高而不能正常運行。  同時,該泵和泵站的其他雙吸泵長期偏離設計工況運行,造成泵軸表麵疲憊破壞導致泵軸報廢。3.2 理論計算與分析  ①啟動時泵軸產生的撓度  零流量時的徑向協力由式(1)計算為:   P=0.36×56×1.15×0.274×1040=6606.5 kg=64810 N  按對稱支承計算軸的A處和B處(見圖2)的撓度為:   yA=P·l3/48EJ=0.949 mm   yB=P·x/48EJ(3l2-4x2)=0.38 mm  式中 E——材料彈性模數     J——軸斷麵慣性矩  由計算可知,該單蝸室泵在零流量下產生很大的徑向力,導致泵軸的撓度在密封環處大於最大設計值0.64 mm(計算時未考慮轉子約2000 kg的質量和軸套等的影響),造成了鋼板密封環粘接。實際運行時已加大到1.2 mm,可見該徑向力已超出軸的設計剛度的承受能力,即使在鑄鐵密封環處未發生粘接,由計算可知磨損也是不可避免的,這也是該當防止的。

  另外,在聯軸器處(B處)造成了0.38 mm的泵軸和電機軸的偏心。由於原裝為尼龍柱銷聯軸,而尼龍柱銷壓縮性很小,無法補償啟動時徑向力釀成的偏心,導致產生對電機轉子的軸向推力,造成電機軸瓦端麵與軸肩摩擦。改用彈性圈柱銷聯軸器後,由於橡膠彈性圈能補償一定的偏心,經試驗沒有軸向力產生,電機不再竄軸 。當然隻是因補償了偏心才解決了電機竄軸題目,並沒有從根本上消除偏心,偏心題目仍會影響泵平穩運行。  ②密封環間隙對效率的影響  不同的密封環間隙對泵效率的影響見表1。由於鋼板組織細密、韌性好和不易脫落等優點,耐汽蝕和磨損明顯優於鑄鐵,並且由表1計算可知 ,采用鋼板密封環可減小泄漏量,進步容積效率16.5%,進步泵效率14.7%。表1 不同密封環間隙下容積效率和泵效率的對比 口環間隙 效率 泄漏量 b(mm) η(%) ηv(%) ηmηh(%) q(m3/s) 0.64(設計值) 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:使用計算公式    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  計算中設水力效率ηh和機械效率ηm不變 ,實際上是要降低的。

  由於啟動時徑向力過大,為防止鋼板密封環咬合,加大密封環間隙從0.64 mm到1.2 mm,卻造成容積效率降低4.1%,泵效率降低3.7% 。一般而言,進步大型泵效率的1%都是相當困難的,但經濟效益卻十分明顯。如該提灌工程使用如許的大型泵就有100多台,由於采用單蝸室泵 ,加大了密封間隙,導致泵效率下降。  ③偏離設計工況時的徑向力  當流量Q=3.5m3/s時,徑向力由式(1)計算為P=23 379.7 N,加上轉動部件的質量,這些力對泵軸是交變載荷,能使泵軸產生疲憊破壞。  是以 ,泵軸和密封環的損壞和電機竄軸等,均為徑向力造成過大的泵軸撓度所為。對於單蝸室泵應避免偏離設計工況運行 ,假如是泵揚程偏大,可通過車削葉輪外徑保證泵在設計流量下運行,並且應盡量減少泵頻繁啟動,以避免過大的徑向力對泵軸和密封環造成破壞。4 大型離心泵的結構設計  由以上計算和分析可知,大型單蝸室泵在運行時產生較大徑向力的弊端是無法完全消除的,根本的解決方法該當是在泵的設計時加以考慮,如可加粗泵軸和選用較好的材料,以增加軸的剛度,並加大支點的剛性,但如許也並未完全消除徑向力。最好的辦法是用水力方法在各種工況下平衡徑向力,可采用導葉加蝸室的結構來平衡感化於葉輪上的徑向力(見圖3),這類結構相對複雜、維修不便,並增大了泵的體積,會增加泵站的下挖深度等。較為簡單的是用結構對稱的雙蝸室來平衡徑向力(見圖4)。過往由於鑄造技術水平有限,在中開麵上的流道對準和清砂相對困難,隨著科技進步,現在已不是困難 。設計良好的雙蝸室泵的效率接近單蝸室泵 (在1%以內),效率曲線更加平坦,而且當流量超過設計流量值時,泵效率的改善情況比在小流量工況時的更為明顯。采用雙蝸室泵體之所以能在大、小流量工況下改善效率,啟事在於葉輪出口四周的壓力分布比單蝸室中更加均勻,葉輪出流情況更好。在雙蝸室中速度頭轉化為壓力能發生在擴散管中,指導第一個蝸室中的液體流出的流道(第二個蝸室的外側)是等斷麵的(見圖4) ,否則效率降低會超過1%。所以,大型離心泵設計為雙蝸室能為高效安全運行創造條件。     5 結論  ①大型單蝸室泵在啟動時會形成較大的徑向力,它可造成密封環磨損或粘接和電機竄軸等題目,這一點是不容忽視的,應盡量避免頻繁啟動和偏離設計工況運行,以防形成過大的徑向力。  ②設計大型離心泵時,可采用結構對稱的雙蝸室壓水室,能基本平衡徑向力,消除因軸產生撓度而引發的題目,擴大泵的運行範圍,進步容積效率。

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