石化設(shè)備泵理論分析和設(shè)計研究

摘要：文章在簡單介紹設(shè)備泵在石油化工行業(yè)應(yīng)用范圍和重要性的基礎(chǔ)上，對某型離心泵的設(shè)計理念、方法和特點進行了歸納與分析，并對設(shè)計過程中重要的技術(shù)創(chuàng)新以及取得的實際效果進行了總結(jié)。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該型離心泵具有高效、節(jié)能、節(jié)材等諸多優(yōu)勢，對于石化企業(yè)更好的實現(xiàn)自身社會與經(jīng)濟效益能夠發(fā)揮出一定的推動作用，而在設(shè)計過程中采用的方式和理念對于國內(nèi)離心泵設(shè)計與優(yōu)化工作的開展同樣具有參考和借鑒的價值。

關(guān)鍵詞：石化設(shè)備；離心泵；理論與設(shè)計

中圖分類號：TH3 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）18-0015-02

在確保石油化工企業(yè)日常生產(chǎn)活動順利進行的各類設(shè)備中，泵是一種應(yīng)用非常廣泛的石化設(shè)備，無論是齒輪泵、往復(fù)泵還是離心泵，石化裝置幾乎涉及全部類型泵的應(yīng)用，其中，尤以離心泵的應(yīng)用最為廣泛。本文以某廠沖壓焊接離心泵為例，對石化設(shè)備泵的理論和設(shè)計進行分析與研究。該型離心泵是我國最早的沖壓焊接離心泵之一，是低比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計與制造的重要革新，具有環(huán)保、低噪、高可靠性、節(jié)能、節(jié)材等諸多優(yōu)勢，因此一經(jīng)推出，就在國內(nèi)外石油化工行業(yè)中得到了非常迅速的推廣和使用，是中小型鑄造泵較為理想的替代性產(chǎn)品。

1某型離心泵的設(shè)計及特點

該離心泵采用沖壓焊接成型工藝，適用于低比轉(zhuǎn)速、小流量、高揚程的離心泵制造。蝸殼式?jīng)_壓焊接離心泵制造工藝涉及模具、熱處理、焊接、壓力加工等不同專業(yè)，制造難度相對較高，而低比轉(zhuǎn)速離心泵的水力設(shè)計長期以來也一直是技術(shù)人員力圖攻克的難題，無論是采用無過載設(shè)計法還是加大流量設(shè)計法，都不能對偏工況運行的問題進行有效解決。鑄造泵如此，國外的沖壓泵也未能幸免。偏工況運行現(xiàn)象的產(chǎn)生原因主要是大部分設(shè)計方法均屬于“理想流體”設(shè)計方式，未能對粘性效應(yīng)給予應(yīng)有的關(guān)注，而沖壓焊接離心泵的葉片設(shè)計更薄、流道更為光滑，因此粘性效應(yīng)非常突出。

由于沖壓焊接離心泵具有葉片設(shè)計更薄、流道更為光滑的特點，因此該廠技術(shù)人員在對以往工程實踐經(jīng)驗以及國內(nèi)外理論研究成果進行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，對以往“理想流體”設(shè)計方式中存在的不足之處進行了優(yōu)化和改善，提出將“理想流體”作為參照量，將粘性邊界作為動邊界條件的粘性流水力設(shè)計方法。同時，結(jié)合沖壓焊接離心泵的內(nèi)粘性流的差異性特征，分別構(gòu)建了壓水室、葉輪、泵吸入口三組粘性流方程組，并對粘性流速度場、過流通道畸變值進行分別計算，隨后以計算結(jié)果為依據(jù)，對泵的流道、葉型進行設(shè)計。通過在低比轉(zhuǎn)速沖壓焊接離心泵設(shè)計工作中引進此種設(shè)計模式，能夠使以往長期存在且較難消除的低比轉(zhuǎn)速離心泵偏工況運行問題得到有效解決，使泵的汽蝕性能以及泵的運行效率得到進一步改善。在完成適用于沖壓焊接離心泵的粘性流設(shè)計方法以及數(shù)學(xué)物理模型的構(gòu)建后，通過粘性流畸變方程式、粘性流輸送方程式構(gòu)建粘性流運動方程組：

V1-V2=K

V12-Vc2=K2

K=（2gh）

其中，V1代表粘性邊界層水流運動畸變速度，m/s；V2代表粘性流體運動速度，m/s；…；Vc代表“理想流體”水流運動，m/s；單位速度，m/s；K代表粘滯特性系數(shù)，m/s；h代表粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失，m/s。

一般來說，粘性效應(yīng)與比轉(zhuǎn)速之間為反比關(guān)系，也就是說，如果想要獲取更高的輸送速度，就必須要為其提供更多的能量。

對于上述粘性邊界層即便方程組，有以下三個問題需要進行重點說明：①粘性液體的速度場在考慮、不考慮邊界層的前提下往往存在著巨大的差異。一般情況下，粘性的存在會使水流運動受到一定程度的阻礙，因此其速度小于清水流速。但是在引入粘性邊界層后，其實際速度卻大于清水流速，究其原因，主要是速度場和過流通道畸變的影響，二者同時發(fā)生且缺一不可。②考慮到N-S方程復(fù)雜度的問題，將“理想流體”作為參照量，以現(xiàn)有研究成果作為基礎(chǔ)，通過對比的方式來修正粘滯力以及粘性邊界層。③方程組中的是“理想流體”的一種流動狀況，由于對其的計算方式已經(jīng)相當成熟，所以在計算過程中可以將其視為已知參照量，由此可見，方程組是封閉且可求解的。

泵的變形產(chǎn)品種類繁多，在以往大多采用相似率，即===，切割葉輪來完成。之所以泵的性能會在粘性情況下出現(xiàn)迅速下降的問題，原因是泵吸入口的粘性過高，無法實現(xiàn)順利抽吸，必須通過增加進口環(huán)量的方式加以解決；同時，出口甩不出去的結(jié)果就是導(dǎo)致脫流，必須通過降低出口環(huán)量的方式加以解決。所以在分配葉型速度環(huán)量的過程中，必須要重新對其進行分配，如圖1所示。

隨后，可以通過以下公式進行計算：

x1tgβ'2=（-x1）tgβ\"1

x2tgβ'2=（-x2）tgβ1

Δx=x1-x2

DC=（-2Δx）

2該型沖壓焊接離心泵的主要成果

在研制過程中，工作人員取得了一系列技術(shù)突破，并形成了很多重要的研究成果，化工行業(yè)的實際運行結(jié)果表明，該型離心泵平均效率提高5%~8%，高效節(jié)能的特征非常顯著，制造所需材料僅為同類產(chǎn)品的25%，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。下面，我們對各項研究成果中比較突出的部分進行簡單的介紹和說明。

①以沖壓焊接離心泵的實際情況為依據(jù)，構(gòu)建了以無粘設(shè)計為參照量，以粘性為動邊界條件，適用于高粘性、低比轉(zhuǎn)速的沖壓焊接離心泵用三元流水力設(shè)計方式。

②創(chuàng)造性的構(gòu)建了能夠自動伸合、荷花瓣式的組合模具，使粘性流設(shè)計對于流道和葉型的具體要求能夠得到真正實現(xiàn)，在為低比轉(zhuǎn)速泵水利性能的保障提供堅實的技術(shù)支持的同時，也讓長期以來未能得到有效處理的偏工況問題得到最大程度的解決。

③構(gòu)建了粘性流條件下葉片進出口環(huán)量的分配方程，創(chuàng)造性的提出了一套粘性流相似設(shè)計方法，改變了常規(guī)的切削葉輪相似準則。通過新方法，只需對葉片的進、出口角進行調(diào)整，就能夠完成泵的變形產(chǎn)品設(shè)計，在降低技術(shù)人員工作量的同時使工作效率得到進一步的提升。

④采用共用式泵殼，使管理費用、模具費用得到最大程度的壓縮，同時，也讓通用化生產(chǎn)效率的進一步提升成為可能。

⑤泵殼出口彎頸采用不規(guī)則橢圓水平連接，為動能回收以及離心泵的加工制造提供更多便利。

3結(jié)語

傳統(tǒng)的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵在設(shè)計過程中大多會采用相似換算法和速度系數(shù)法，不過由于這兩種方法均建立在流體力學(xué)中相似理論的基礎(chǔ)上，因此離不開性能較好的離心泵統(tǒng)計資料的大力支持。結(jié)合不同比轉(zhuǎn)數(shù)泵的設(shè)計系數(shù)曲線，技術(shù)人員可以在設(shè)計過程中選擇更加理想的速度系數(shù)對泵的幾何尺寸進行計算，不過相當一部分參數(shù)的選擇有一定的范圍限制，很多時候都無法獲取最佳值。尤其是對于低比轉(zhuǎn)數(shù)化工離心泵而言，泵殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵，按照傳統(tǒng)的參數(shù)取值范圍可能并不適用。所以，在參考以往研究成果和設(shè)計方式的基礎(chǔ)上，開展泵的內(nèi)部流動分析和優(yōu)化才是提高和改進泵性能的有效手段。就目前的實際情況來看，國內(nèi)基于內(nèi)部流動分析的離心泵設(shè)計或優(yōu)化工作已經(jīng)取得了很多令人矚目的成果，但大多只針對葉輪一項，很少涉及流道以及泵殼，而本文涉及的沖壓焊接離心泵則對這些問題進行了兼顧，并取得了令人滿意的應(yīng)用成果?？梢钥闯觯C合考慮各個過流部件并對其進行優(yōu)化，對于提升泵的性能具有非常關(guān)鍵和積極的作用，希望文中所述的設(shè)計理念和方法能夠為相關(guān)工作的開展提供思路上的參考和借鑒。

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