一種抗磨損多級圓盤泵結(jié)構(gòu)設計

陳永超，陳國明，李 偉，周昌靜

（中國石油大學 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島266580）①

多級泵能夠滿足高揚程、高流量、高效率工況的需要，在石化、建筑、消防等行業(yè)得到了廣泛的應用［1］。目前，常用的多級泵有節(jié)段式和水平中開式2種。節(jié)段式的特點是每一級由擴壓殼體、內(nèi)葉輪及導葉組成，優(yōu)點是耐高壓、不易泄漏，缺點是拆裝難度大。水平中開式多級泵的結(jié)構(gòu)分為上下泵體，在軸心的水平剖面對接，且進出口管及部分蝸殼流道鑄造在下部泵殼體上，維修拆裝方便，水力效率較高。2種結(jié)構(gòu)形式的多級泵產(chǎn)品如圖1所示。

由于水平中開式多級泵具有拆卸方便、水力損失小、裝配誤差小等優(yōu)點，被廣泛應用于輸送不含固相顆粒的清水介質(zhì)。但是，隨著石油、化工等行業(yè)的發(fā)展，尤其是在長距離輸送高黏度、攜帶大量氣體、含有高濃度固相顆粒及含對剪切力敏感的介質(zhì)等多相流介質(zhì)時，現(xiàn)有的多級泵仍無法滿足需要，因此迫切需要開發(fā)一種能夠長距離可靠輸送、抗汽蝕、、抗磨損的多相流多級泵。本文提出了一種可輸送多相流介質(zhì)的水平中開式多級圓盤泵，目前已經(jīng)申請發(fā)明專利［2］。

圖1 2種結(jié)構(gòu)形式的多級圓盤泵

1 新型多級圓盤泵結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖2所示為新型水平中開式多級圓盤泵結(jié)構(gòu)，主要由泵體、泵蓋、泵主軸及特殊結(jié)構(gòu)形式的葉輪組成。多級圓盤泵沿水平軸線分為泵體、泵蓋2部分。泵體、泵蓋采用水平中開法蘭連接。在主軸上安裝多個特殊形式的葉輪，構(gòu)成多級泵，采用級間過渡流道形式實現(xiàn)上下級多相流介質(zhì)過渡。其中，葉輪兩蓋板內(nèi)表面周向加工有特殊形式的“波紋”以替代普通葉輪內(nèi)部葉片，葉輪蓋板間距足夠大以滿足輸送含大固體顆粒的多相流介質(zhì)。

多級圓盤泵正常工作時，電機帶動泵主軸高速旋轉(zhuǎn)，多相流介質(zhì)由多級泵入口進入第1級蝸殼內(nèi)，在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動下，多相流介質(zhì)由第1級排出口經(jīng)第2級吸水室入口，進入第2級蝸殼內(nèi)部。在第2級葉輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動下，進一步增加輸送介質(zhì)的揚程，接著進入第3級蝸殼內(nèi)，經(jīng)第3級排出口排出，從而實現(xiàn)物料的泵送。

圖2 新型水平中開式多級圓盤泵結(jié)構(gòu)

1.2 特點

該型多級圓盤泵采用的蝸殼式過渡流道包括環(huán)形蝸殼（或是準螺旋形蝸殼）及過渡流道。過渡流道截面積形狀可以是圓形或是具有倒角的矩形，其橫截面積的總和與多級泵進口面積近似相等。單個過渡流道最小面積應不堵塞輸送介質(zhì)。過渡流道可以是徑向擴散形式或斜向擴散形式，其數(shù)目為1～3個，可根據(jù)輸送顆粒直徑大小決定。過渡流道高度可根據(jù)所設計的多級泵結(jié)構(gòu)合理確定。

該型多級泵選用特殊結(jié)構(gòu)形式的葉輪，主要由主動葉輪蓋板、從動葉輪蓋板、圓柱形連接臂組成，如圖3所示。

圖3 多級圓盤泵特殊形式葉輪結(jié)構(gòu)

主動葉輪蓋板由泵主軸通過鍵連接帶動高速旋轉(zhuǎn)，主動葉輪蓋板與從動葉輪蓋板之間通過圓柱形連接臂連接。主動葉輪蓋板與從動葉輪蓋板內(nèi)側(cè)并無真實葉片，取而代之的是蓋板內(nèi)側(cè)表面周向加工有特殊形式的“波紋”，“波紋”的形式可以采用正弦波或余弦波等，其中“波紋”高度大小較主動蓋板與從動蓋板之間距離相對較小，“波紋”數(shù)目一般在10～30個。

2 性能特點

1） 多相流介質(zhì)經(jīng)過葉輪內(nèi)部時，由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在葉輪表面“波紋”葉片的帶動下，靠近葉輪表面處介質(zhì)相對速度小，壓力大；葉輪蓋板中間無葉片區(qū)域相對速度大，壓力小，所輸送介質(zhì)中的固相顆粒及對剪切力敏感介質(zhì)主要集中于無葉區(qū)，因此對葉輪磨損程度較小。

2） 因葉輪無葉片，泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，氣體也主要集中于葉輪無葉區(qū)，汽蝕對葉輪幾乎無損害，增加了泵的可靠性。

3） 由于葉輪蓋板間間距較大，可輸送較大直徑的固相顆粒；葉輪蓋板依靠邊界層效應及黏性拖曳力原理帶動多相流介質(zhì)高速旋轉(zhuǎn)，可輸送含高黏度的多相流介質(zhì)，且隨著介質(zhì)黏度的增加，多級泵效率呈現(xiàn)上升趨勢。

4） 該型水平中開式多級圓盤泵進口為環(huán)形吸水室，在輸送大顆粒固相介質(zhì)時，環(huán)形吸水室進口對輸送固相介質(zhì)不會產(chǎn)生堵塞影響，對泵效率影響也不大。

設計結(jié)構(gòu)特殊，與普通多級離心泵相比，新型水平中開式多級圓盤泵的優(yōu)勢是：

1） 通過性能好，葉輪磨損小。

2） 抗氣蝕性能好，工作平穩(wěn)無脈動。

3） 通過葉輪級數(shù)增加，可長距離輸送多相流介質(zhì)。

4） 單級葉輪產(chǎn)生的軸向力、徑向力遠小于普通多級泵葉輪。

5） 可輸送各種多相流介質(zhì)，適應范圍廣。

6） 多級泵零部件較少，易加工裝配。

3 應用前景

新型多級圓盤泵可用于長距離輸送高黏度、攜帶大量氣體、含有高濃度固相顆粒的介質(zhì)及輸送含對剪切力敏感的介質(zhì)等多相流介質(zhì)，具有抗汽蝕、抗磨損、拆卸方便、裝配誤差小等優(yōu)點。下面以海底泥漿舉升鉆井技術及海洋資源開發(fā)技術為例說明該泵的應用前景。

3.1 深水鉆井領域

雙梯度鉆井技術（Dual－Gradient Drilling，簡稱DGD）是20世紀90年代發(fā)展起來的新型鉆井技術，在深水鉆井中具有顯著的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢，已取得良好的工業(yè)應用效果，具有廣闊的應用前景［3］。AGR公司的RMR無隔水管雙梯度鉆井技術，是迄今已投入工業(yè)應用的DGD項目之一。無隔水管泥漿回收鉆井系統(tǒng)如圖4所示。海底泥漿舉升泵作為無隔水管雙梯度鉆井技術實現(xiàn)的關鍵設備，其性能的好壞對整個系統(tǒng)有著直接影響［4］。作為海底泥漿舉升泵不但要求高效可靠、抗磨損、無堵塞，還要能長距離輸送攜帶大量氣體、含有高濃度固相顆粒等多相流介質(zhì)［5－6］。

該水平中開式多級泵具有獨特的結(jié)構(gòu)形式，除了滿足海底泥漿舉升鉆井作業(yè)的要求外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工裝配、拆卸方便、裝配誤差小等優(yōu)點。

圖4 無隔水管泥漿回收鉆井系統(tǒng)

3.2 海底采礦領域

海底蘊藏著極為豐富的礦產(chǎn)資源，例如多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和熱液硫化物等。開發(fā)海洋礦產(chǎn)資源是一項新興產(chǎn)業(yè)，作為技術關鍵，首先必須解決海底采掘及其提升至海面的有關方法和設備。由于深海礦產(chǎn)資源的特殊極端環(huán)境、特殊賦存狀態(tài)和環(huán)境保護的限制，深海礦產(chǎn)資源的開采技術必然是一項復雜高難度技術，也是諸多現(xiàn)代高新技術的高度集成，更是海洋資源開發(fā)的前沿［7］。

水力提升式采礦法是目前被認為適用于深海多金屬結(jié)核開采、技術比較成熟、應用前景較大的一種采礦方法［8］。水力提升采礦系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)中的深海采礦提升泵應具有足夠的揚程和流量，考慮到海底環(huán)境和系統(tǒng)其他要求，深海開采專用提升泵還應具備良好通過性、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、耐用性好、抗腐蝕性能好等特點。

該型水平中開式多級泵葉輪結(jié)構(gòu)特殊，圓盤蓋板之間間距較大，無堵塞性能好，運行平穩(wěn)，工作長期可靠，比較適合深海礦產(chǎn)資源輸送的應用場合。該泵具有深海開采專用提升泵的基本特征，隨著技術成熟，其在海洋采礦輸送領域?qū)⒂袕V闊的應用前景。

圖5 水力提升采礦系統(tǒng)

4 結(jié)論

1） 提出了一種輸送多相流介質(zhì)的新型水平中開式多級圓盤泵結(jié)構(gòu)。其葉輪蓋板內(nèi)表面周向加工有特殊形式的“波紋”以替代普通葉輪內(nèi)部葉片，具有抗汽蝕、抗磨損、工作平穩(wěn)等優(yōu)點。

2） 可用于長距離輸送高黏度介質(zhì)、攜帶大量氣體介質(zhì)、含有高濃度固相顆粒介質(zhì)及輸送含對剪切力敏感等多相流介質(zhì)。

4） 在深水鉆井及海底采礦等諸多領域有著較為廣闊的應用前景。

［1］關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊［K］.北京：宇航出版社，1995.

［2］陳國明，陳永超，尹樹孟，等.一種可輸送多相流介質(zhì)的水平中開式多級泵：中國，CN 102606483A［P］.2012－07－25.

［3］殷志明.新型深水雙梯度鉆井系統(tǒng)原理、方法及應用研究［D］.東營：中國石油大學，2007：4－6.

［4］方華燦.海洋深水雙梯度鉆井用水下裝備［J］.石油礦場機械，2008，37（11）：1－6.

［5］高本金.海底泥漿舉升圓盤泵流場仿真與性能研究［D］.東營：中國石油大學，2009：25－26.

［6］周昌靜，陳國明，高本金，等.海底泥漿舉升葉片圓盤泵軸向力預測［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：28－31.

［7］陽 寧，王英杰.海底礦產(chǎn)資源開采技術研究動態(tài)與前景分析［J］.礦業(yè)裝備，2012（1）：54－57.

［8］謝龍水.深海水力提升式采礦系統(tǒng)的研究［J］.中國礦業(yè)，1995（1）：30－35.