鉛泵的改進(jìn)設(shè)計(jì)與流體力學(xué)計(jì)算

賈 源， 黃坤程

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 冶金事業(yè)一部火法設(shè)備室， 北京 100038)

鉛泵的改進(jìn)設(shè)計(jì)與流體力學(xué)計(jì)算

賈 源， 黃坤程

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 冶金事業(yè)一部火法設(shè)備室， 北京 100038)

為了盡量減小高溫工作環(huán)境對(duì)鉛泵機(jī)械性能產(chǎn)生的不利影響，對(duì)鉛泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)；同時(shí)，歸納總結(jié)了鉛泵的流體力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)鉛泵的設(shè)計(jì)工作具有一定的參考價(jià)值。

鉛泵； 軸承配置； 滑動(dòng)軸套； 流體力學(xué)計(jì)算

0 前言

鉛泵是一種單級(jí)單吸離心式液下泵。作為輸送鉛液的專用泵，它廣泛應(yīng)用于鉛冶煉廠的熔鉛鍋、精煉鍋以及鉛陰陽極制備和鑄錠等工序中[1]。

由于輸送的介質(zhì)為熔融鉛液，因此，泵的材料選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)部分的防熱等都必須考慮到高溫這一重要因素。

中國恩菲公司設(shè)計(jì)鉛泵的歷史可追溯到20世紀(jì)50年代，大小規(guī)格共計(jì)十余種。通過現(xiàn)場(chǎng)的鉛液輸送試驗(yàn)和使用記錄，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。本文所討論的鉛泵，是在分析研究以往的圖紙、試車記錄以及相關(guān)離心泵專著的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、類比計(jì)算等方法，進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)。本次改進(jìn)設(shè)計(jì)旨在解決高溫對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響，解決實(shí)際揚(yáng)程不達(dá)標(biāo)、部分零部件易損等問題，并嘗試摸索出鉛泵流體力學(xué)計(jì)算的方法。

擬設(shè)計(jì)的鉛泵規(guī)格及參數(shù)見表1。

表1 鉛泵規(guī)格及參數(shù)

1 工作原理

鉛泵常見結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。具有若干個(gè)葉片的葉輪固定于泵軸上，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，隨泵軸一起高速旋轉(zhuǎn)。啟動(dòng)前，先使泵殼內(nèi)充滿鉛液。啟動(dòng)后，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，并將鉛液由葉輪中心甩向外周。

當(dāng)鉛液自葉輪中心甩向外周時(shí)，葉輪中心形成低壓區(qū)，在鉛鍋液面壓力(常為大氣壓)與葉輪中心(負(fù)壓)的壓差作用下，鉛液便經(jīng)濾蓋進(jìn)入泵內(nèi)，并以很快的速度進(jìn)入葉輪與泵殼之間的流道。由于流道截面逐漸增大而減速，使鉛液部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了靜壓能，然后從泵排出口進(jìn)入出鉛管。只要葉輪不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，鉛泵便不斷地吸入和排出鉛液。因此，鉛泵是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力給鉛液提供機(jī)械能的[2]。

1.電動(dòng)機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.軸承 4.(水冷)軸承座 5.軸承 6.泵軸 7.支承架 8.滑動(dòng)軸套 9.泵殼 10.葉輪 11.出鉛管 12.濾蓋圖1 鉛泵結(jié)構(gòu)示意圖

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 滾動(dòng)軸承配置

圖2 軸承配置型式

根據(jù)試車記錄，鉛泵在實(shí)際使用過程中，曾出現(xiàn)過滾動(dòng)軸承發(fā)熱、冒煙、燒損、內(nèi)圈裂開等故障。并且在冷卻水套未通水的情況下，固態(tài)的二硫化鉬高溫齒輪油膏融為液態(tài)，順軸下流，影響了軸承的潤滑，造成軸承失效。分析其原因，除了鉛泵自身的工作環(huán)境惡劣，鉛液的輻射熱和傳導(dǎo)熱使得軸承溫度升高之外，軸承配置不合理也是原因之一。

以往的設(shè)計(jì)中，軸承的配置如圖2a所示，采用的是面對(duì)面的型式。這種型式結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，但是當(dāng)軸受熱伸長時(shí)，軸承游隙變小，容易造成軸承卡死。為避免上述情況的發(fā)生，要特別注意軸承游隙的調(diào)整[3]。由此可見，這種配置型式不適用于鉛泵。當(dāng)軸承游隙調(diào)整不合理，鉛泵工作環(huán)境溫度過高時(shí)，軸承極易卡死，這時(shí)如果繼續(xù)工作，則會(huì)發(fā)生軸承冒煙、燒損等故障，影響生產(chǎn)。

本次設(shè)計(jì)采用圖2b所示的背對(duì)背的配置型式。該型式的優(yōu)點(diǎn)是，支點(diǎn)間跨距較大，懸臂長度較小，故懸臂端剛性較大。當(dāng)軸受熱伸長時(shí)，軸承游隙增大，軸承不會(huì)卡死。為了增大軸承的承載能力，設(shè)計(jì)中選用了更大規(guī)格的軸承，以確保使用的可靠性。

另外，根據(jù)近年來多個(gè)鉛冶煉現(xiàn)場(chǎng)鉛泵的使用情況來看，都沒有采用冷卻水套對(duì)軸承進(jìn)行通水冷卻。但考慮到實(shí)際生產(chǎn)中鉛液溫度較高的情況，仍然配置了冷卻水套，以備不時(shí)之需。

但是，采用冷卻水套可能產(chǎn)生漏水等安全隱患。設(shè)計(jì)中將管件的接口引到鉛鍋外，以防止冷卻水滴進(jìn)鉛鍋。同時(shí)要求設(shè)備出廠前裝調(diào)時(shí)必須進(jìn)行嚴(yán)格的1.0 MPa水壓試驗(yàn)，防止生產(chǎn)過程中滲水漏水造成危險(xiǎn)。

2.2 滑動(dòng)軸套

圖1所示的滑動(dòng)軸套是鉛泵的另一個(gè)重要零件，它起到支承細(xì)長軸，增加剛度，保護(hù)軸及泵殼的作用。試車記錄載明，該零件曾使用鑄錫青銅ZQSn6- 6- 3作為軸套材料，實(shí)際使用中磨損嚴(yán)重，間隙小。造成這種情況的原因在于，該軸套是浸在鉛液中高速回轉(zhuǎn)。通常，鉛液的溫度在400 ℃～600 ℃之間，而ZQSn6- 6- 3的最高工作溫度為280 ℃，滑動(dòng)軸套的工作環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于其最高工作溫度。一旦滑動(dòng)軸套磨損嚴(yán)重，中心細(xì)長軸在高速回轉(zhuǎn)狀態(tài)下將變得極不穩(wěn)定，還將造成葉輪與泵殼的損壞。

因此，設(shè)計(jì)中曾選用了一種稱為RSSN的非金屬材料，用于制造滑動(dòng)軸套。RSSN又稱反應(yīng)燒結(jié)氮化硅，是以工業(yè)硅粉為主要原料，成型后，在氮?dú)夥障录訜岬?，使硅粉形成具有一定?qiáng)度的氮化硅。該材料具有高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗熱震性好等優(yōu)良性能。RSSN的主要物理性能見表2。

表2 RSSN主要物理性能[4]

但實(shí)踐證明，RSSN因?yàn)榇嘈蕴螅⒉贿m于制作滑動(dòng)軸套。一方面，鉛泵在運(yùn)輸及日常生產(chǎn)吊運(yùn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和碰撞，造成RSSN滑動(dòng)軸套破損。另一方面，RSSN滑動(dòng)軸套浸入高溫鉛液后，會(huì)因熱膨脹而相互擠壓、破損。

基于上述討論，采用耐熱合金鋼制作滑動(dòng)軸套更為適宜。

3 流體力學(xué)計(jì)算

葉輪與泵殼是實(shí)現(xiàn)鉛泵功能的核心零件，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前，與鉛泵流體力學(xué)計(jì)算直接相關(guān)的文獻(xiàn)資料很少。本次設(shè)計(jì)參閱了離心泵設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)專著，并類比了中國恩菲公司以往的設(shè)計(jì)資料。

3.1 比轉(zhuǎn)數(shù)ns

比轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算公式為[5]：

(1)

式中Q—泵的流量，m3/s；

H—泵的揚(yáng)程，m；

n—葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。

3.2 葉輪外徑D2

鉛泵所用的葉輪是半開式葉輪。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，對(duì)于半開式葉輪和全開式葉輪，如果葉片和前后泵體的配合間隙很小(小于0.3 mm)，和閉式葉輪性能無大的差別。然而，在運(yùn)行中間隙難以保證，造成泵揚(yáng)程下降，高效率點(diǎn)向小流量方向偏移，尤其是低比轉(zhuǎn)數(shù)高揚(yáng)程葉輪，有時(shí)和閉式葉輪相比，揚(yáng)程下降可達(dá)30%，效率也顯著下降。因此，半開式葉輪采用閉式葉輪的計(jì)算方法時(shí)，葉輪外徑根據(jù)間隙的情況增大到1.1～1.25D2，間隙大者取大值。

葉輪外徑D2的計(jì)算公式為：

(2)

式中KD2—取9.35～9.6；

ns—比轉(zhuǎn)數(shù)；

Q—泵的流量，m3/s；

n—葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)于KD2的取值，由于比轉(zhuǎn)數(shù)小于60時(shí)，KD2應(yīng)乘以大于1，小于1.5的修正系數(shù)K?？紤]到鉛泵比轉(zhuǎn)數(shù)較小，取KD2=9.6。

運(yùn)用Excel，使用公式(1)、(2)對(duì)以往設(shè)計(jì)的幾種具有代表性的鉛泵葉輪尺寸進(jìn)行驗(yàn)證性計(jì)算，可得到如下的結(jié)果，見表3。

表3 以往設(shè)計(jì)的葉輪尺寸計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算結(jié)果與圖紙上標(biāo)注的實(shí)際尺寸比較后可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算尺寸與圖紙標(biāo)注的實(shí)際尺寸吻合程度較高，說明計(jì)算選取的系數(shù)基本可用，計(jì)算得到的結(jié)果可信度較高。使用這些系數(shù)，可以計(jì)算得到新設(shè)計(jì)的幾種規(guī)格鉛泵的葉輪尺寸，見表4。

表4 新設(shè)計(jì)的葉輪尺寸計(jì)算結(jié)果

3.3 葉輪型式

30 t/h、40 t/h和60 t/h鉛泵采用的葉輪型式如圖3a所示，250 t/h和720 t/h鉛泵采用的葉輪型式如圖3b所示。

圖3 葉輪型式

值得說明的是，現(xiàn)場(chǎng)試車記錄曾記載，60 t/h鉛泵揚(yáng)程不夠。對(duì)比幾版圖紙我們發(fā)現(xiàn)，60 t/h鉛泵葉輪的葉片的曲率與25 t/h鉛泵的相同，但由于生成的基圓直徑變小，而葉輪外徑增大，故出口角β2減小。由葉片出口速度三角形分析可知，在其他條件不變的情況下，β2越小，泵的揚(yáng)程越小。另外，以往設(shè)計(jì)的60 t/h鉛泵葉輪上平衡孔數(shù)量過多，孔徑較大，這加大了葉輪的泄露，降低了泵的揚(yáng)程。因此，在新設(shè)計(jì)的60 t/h鉛泵中，加大了葉輪葉片的基圓直徑，同時(shí)減小了平衡孔的數(shù)量和孔徑，以期提高泵的揚(yáng)程，使之達(dá)標(biāo)。

3.4 其它尺寸

經(jīng)過計(jì)算所確定的葉輪直徑與以往設(shè)計(jì)的同等規(guī)格鉛泵相同或相近，所以，由葉輪直徑所確定的其它尺寸可沿用以往的設(shè)計(jì)，或在其基礎(chǔ)上略作調(diào)整。

4 結(jié)語

(1)從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度分析了軸承燒損的原因，并對(duì)軸承的配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。

(2)基于實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)液下工作的滑動(dòng)軸套的材質(zhì)選擇問題進(jìn)行了討論，RSSN雖然具有耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，但因其脆性大，不宜使用。

(3)通過初選系數(shù)，試算及對(duì)比驗(yàn)證的方法，證明了所選系數(shù)的合理性，并使用這些系數(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，總結(jié)出一些鉛泵設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。

[1] 陳貽伍等.有色金屬冶煉設(shè)備Ⅲ：電解及物料輸送設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

[2] 崔鵬，魏鳳玉.化工原理[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 成大先等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4] 齊共金.無機(jī)天線罩功能材料的新進(jìn)展[J].功能材料，2004，(35)：1700-1703.

[5] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京：宇航出版社，1995.

Improved Design and Hydrodynamics Calculation of Lead Pump

JIA Yuan， HUANG Kun-cheng

Improved design of the lead pump mechanical structure is implemented, so as to decrease the adverse effect from the high temperature. At the same time, the hydrodynamics calculation method of lead pump is summarized, which is valuable for the design of lead pump.

lead pump； bearing arrangement； axle sleeve； hydrodynamic calculation

2015-01-05

賈 源(1985-)，男，湖北竹山人，工程師，碩士研究生，主要從事火法設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

TF812

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1003-8884(2015)04-0034-04