MD系列多級泵的研制

賈志欣

摘要：MD系列多級泵是一種高壓自平衡型多級泵，結(jié)構(gòu)為臥式、單吸、垂直中開多級分段式，采用低壓側(cè)、高壓側(cè)葉輪對稱布置，自動平衡軸向力，具有高效區(qū)寬、運行平穩(wěn)，汽蝕性能好、安裝維修方便等特點，大大延長了設(shè)備的運行壽命。在水力設(shè)計上采用國內(nèi)先進(jìn)的水力模型，高效節(jié)能，材料選用方面為公司自行研制的高耐磨材料，滿足了特定用戶對多級泵的需求，其主要應(yīng)用于煤炭、冶金等領(lǐng)域，用于煤礦井下的排水和金屬礦山輸送介質(zhì)中含有浮游物等特殊工況，也可用于工業(yè)城市給排水、礦山遠(yuǎn)距離送水、小型鍋爐給水等，有著良好的市場應(yīng)用前景。文中主要介紹了多級泵的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要部件在設(shè)計中的注意事項，主要部件在制作過程中的注意事項。

關(guān)鍵詞：多級泵;結(jié)構(gòu);工作原理;設(shè)計制作

中圖分類號：TH33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0080-02

1? 多級泵的結(jié)構(gòu)

1.1 市場中多級離心泵常見的結(jié)構(gòu)

常用的多級離心泵基本結(jié)構(gòu)有水平中開式和節(jié)段式（或稱多級串聯(lián)式）兩種。水平中開式的結(jié)構(gòu)特點是上下泵體通過軸心的水平剖分面上對接，進(jìn)出口管、部分蝸殼及流道鑄造在下部泵殼體上，檢修維護(hù)比較方便，維修時不需要拆卸泵的管線便可直接取下泵的上殼體。節(jié)段式的結(jié)構(gòu)特點是每一級由一個位于擴(kuò)壓器殼體內(nèi)的葉輪組成，擴(kuò)壓器用螺栓和連桿連接在一起，各級以串聯(lián)方式由固定桿固定在一起，好處是耐壓高，不易泄漏。但在維修時必須拆卸進(jìn)口管道，拆卸裝配難度較大。一般認(rèn)為水平中開式多級泵比節(jié)段式多級泵剛度好，泵振動值低。

水平中開式多級泵：吸入室一般均采用半螺旋形，每級壓水室亦采用螺旋形蝸殼結(jié)構(gòu)，將液體動能轉(zhuǎn)換為壓能的效率高，無導(dǎo)葉，但由于水力徑向力原因，軸易彎曲，上下殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)難度大。節(jié)段式多級泵：吸水室及壓水室大都采用圓環(huán)形，而每級葉輪配有徑向?qū)~，無水力徑向力，零件結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。多級泵的首級葉輪一般設(shè)計為雙吸式葉輪，其余各級葉輪設(shè)計為單吸室葉輪，溫度較高，流量較大，易于產(chǎn)生汽蝕的介質(zhì)尤其如此。

1.2 我公司開發(fā)的多級離心泵結(jié)構(gòu)簡介

我公司開發(fā)的多級泵為MD系列耐磨多級泵。結(jié)構(gòu)形式為單吸、階段式。采用葉輪背對背對稱布置的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)泵體身軸向力的自平衡，不再采用傳統(tǒng)的平衡盤、平衡盤鼓設(shè)計，解決了平衡盤結(jié)構(gòu)消耗功率大、易磨損等設(shè)計缺陷，從而提高了泵整機(jī)的運行可靠性和壽命;各個段均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，采用徑向?qū)~來收集漿液并傳送至下一級，故無水力徑向力，轉(zhuǎn)子的重量即為泵軸所受的徑向力。在材料選用方面，葉輪、導(dǎo)葉采用我公司的高鉻合金材料，達(dá)到耐磨或抗磨耐腐的效果。各個段根據(jù)工況需要可選擇用QT500-7、高鉻合金、鑄鋼等材料，以滿足現(xiàn)場耐磨和承壓要求。應(yīng)用于輸送含有少量固體顆粒的漿液或較高濃度的溶液，可以滿足一定的耐磨、耐腐要求，在此類工況下的運行壽命優(yōu)于傳統(tǒng)的節(jié)段式多級泵。

1.2.1 泵型號代表的意義

以MD（6）280-65×6為例：

MD：多級耐磨? ? ?（6）：過流件材質(zhì)

280：流量? ? ? ? ? ? 65：單級揚程

6：級數(shù)

1.2.2 結(jié)構(gòu)的說明

泵的固定部分由吸入（進(jìn)水）段、中段、出水段、導(dǎo)葉、軸承和密封組成。進(jìn)水口為水平，靠近電機(jī)端，方向可根據(jù)需要設(shè)計，轉(zhuǎn)動部分由泵軸及裝在軸上的數(shù)個葉輪、套、軸承等件組成。軸承采用稀油潤滑或脂潤滑。采用稀油潤滑時，軸承箱內(nèi)設(shè)有甩油環(huán)來保證供給軸承充足的潤滑油;軸承功率較大時，軸承箱設(shè)計有冷卻腔來冷卻軸承。葉輪分為低壓側(cè)葉輪和高壓側(cè)葉輪。聯(lián)軸器側(cè)軸承一般設(shè)計為一盤圓柱滾子軸承，主要承受徑向力;另一端采用兩盤角接觸球軸承配對來承受部分徑向力及殘存的軸向力。泵的軸封分為填料密封盒機(jī)械密封兩種。填料密封是泵的轉(zhuǎn)動部分與固定部分之間靠水封環(huán)、盤根、軸套來密封;機(jī)械密封由合格配套廠家根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)和使用工況設(shè)計專用機(jī)封。潤滑油密封采用迷宮密封配擋水板或骨架密封配擋水板結(jié)構(gòu)，在密封潤滑油的同時防止水進(jìn)入軸承。如圖1所示。

2? 多級離心泵的工作原理

多級離心泵類似于將多臺單級離心泵逐個串聯(lián)起來，通過每一個葉輪對工藝介質(zhì)逐級加壓，使末級葉輪出口的介質(zhì)獲得遠(yuǎn)高于入口介質(zhì)壓力。如圖2所示。

3? 主要部件在設(shè)計過程中的注意事項

3.1 葉輪設(shè)計

首級葉輪的入口直徑取較大值，一般取系數(shù)K0在4.0-4.5，次級葉輪取較小值，一般取系數(shù)K0≤4.0。因是節(jié)段式一串布置，為盡量減輕轉(zhuǎn)子部件的重量，減小軸的撓度，減小泵的軸向尺寸，葉輪的流道一般不做加寬設(shè)計，且蓋板及葉輪厚度需盡量小。為保證安裝和產(chǎn)品的整機(jī)質(zhì)量，葉輪軸孔的公差按F6設(shè)計，凡設(shè)計到裝配定位的形位公差（同軸度、跳動、平行度、垂直度等）均按6級設(shè)計。此外，為了得到較好的汽蝕性能，首級葉輪設(shè)計成雙吸較好，尤其在大流量、高溫度、吸上運行的工況。

3.2 導(dǎo)葉設(shè)計

按《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計》中“9.5徑向?qū)~的設(shè)計與計算”運行設(shè)計。導(dǎo)葉正反葉片的厚度基本參照葉輪葉片的厚度（入口處約5-8mm，出口處7-12mm），其中，導(dǎo)葉的候部面積是關(guān)鍵尺寸，直接影響泵的參數(shù)，應(yīng)與蝸殼的第Ⅸ斷面的作用相近，葉片數(shù)與葉輪的葉片數(shù)不能相同。

3.3 各個段的設(shè)計

3.3.1 吸入（進(jìn)水）段的設(shè)計

設(shè)計時須注意吸入腔的過流面積及其導(dǎo)流效果。過流面積不能太小，面積小，其流速快，損失就大。其節(jié)流面積較大，對零件的損失相對較小。

3.3.2 出水段的設(shè)計

合理設(shè)計兩側(cè)的出水腔，保證過流面積合適、結(jié)構(gòu)合理，其中主要包括兩個出水管的結(jié)構(gòu)合理，位置合適，注意低壓側(cè)泄壓槽的設(shè)計，高壓泄漏的高壓漿液從泄壓槽排到低壓出水管。用戶根據(jù)工況可以合理的選用各個段的材料，目前已使用過的材料有高鉻合金、QT500-7以及鑄鋼件。如果選用高鉻合金，則不用做密封環(huán)的設(shè)計，根據(jù)泵的最高揚程，計算確定合適的零件壁厚，既保證承壓要求又有一定的經(jīng)濟(jì)性即可。凡配合定位的尺寸公差和形位公差均按照6級精度設(shè)計，級間配合止口、與軸承體配合止口均為H6/g6。高低壓側(cè)吸入段、出水段的中高要有公差要求;高壓吸入段與出水段的連接法蘭面要有尺寸公差和形位公差要求，以保證與過渡管的安裝以及密封性能。

3.4 軸的設(shè)計

多級泵軸上要求做定位軸肩設(shè)計，以便于出水段開始向定位端裝配時能夠?qū)崿F(xiàn)軸上零件的定位、壓緊;軸裝配外圓公差按h5或h6設(shè)計，當(dāng)軸徑大于等于130mm時按h5設(shè)計。

3.5 過渡管設(shè)計

過渡管目前我公司有兩種結(jié)構(gòu)：方形結(jié)構(gòu)、管狀結(jié)構(gòu)。方形結(jié)構(gòu)采用螺柱連接，結(jié)構(gòu)緊湊、省空間;但密封槽（水線）不好加工，只能用數(shù)控機(jī)床加工，且流道內(nèi)需要設(shè)計筋板來穿螺柱，會造成沖擊損失，影響效率。管狀結(jié)構(gòu)一般設(shè)計為法蘭聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，但需要考慮安裝空間，零件高度要比方形結(jié)構(gòu)高，安裝后，整機(jī)所占空間比方形結(jié)構(gòu)大。

3.6 泄壓管及冷卻、沖洗水管的設(shè)計

我公司結(jié)合產(chǎn)品在使用過程中易出現(xiàn)的問題，將泄壓管及冷卻管的內(nèi)外螺紋均按錐形密封管螺紋設(shè)計。外螺紋為圓錐外螺紋，代號R2，內(nèi)螺紋為圓錐內(nèi)螺紋，代號RC。經(jīng)過試驗，泄壓管是從高壓密封腔到低壓密封腔，冷卻水（軸承冷卻）與泄壓管共用，通過三通分流，最終回到泵吸入口;沖洗水也從高壓密封腔的另一側(cè)接出，通過管路接到高、低壓密封腔的沖洗接口。

4? 主要部件在制作過程中的注意事項

4.1 葉輪的制作

鑄造部分：其結(jié)構(gòu)較常見，采用樹脂砂鑄造，樹脂砂造型，鋯英粉醇基涂料，五枚ZL104葉片。

機(jī)加部分：葉輪做靜平衡試驗，精度不低于GB/T 9239 -1988中G6. 3級規(guī)定。葉輪做靜平衡試驗時， 若在葉輪蓋板上去重， 去重處與蓋板應(yīng)平滑過渡， 切削量不得超過蓋板壁厚的三分之一。 且其材料為我公司自主開發(fā)的高鉻材料，正火后HRC58-62，且其靜平衡質(zhì)量要求較高，因此將其加工工序分為粗加工→找平衡（去除大量的不平衡質(zhì)量）→正火→精加工再次找平衡→電火花→鉗工。為達(dá)到靜平衡的質(zhì)量，設(shè)計制作找平衡用芯軸，葉輪與芯軸配合在動平衡機(jī)上做。

4.2 導(dǎo)葉的制作

鑄造部分：木制模樣和芯盒，葉片、背葉片采用鑄鋁工裝，加工完后將葉片、背葉片挖槽固定在模樣、芯盒上。

機(jī)加部分：因其材料為我公司自主開發(fā)的高鉻材料，正火后HRC58-62，因此將其加工工序分為粗加工→正火→精加工→鉗工。因其結(jié)構(gòu)的特殊性，在加工左端時，不易裝夾，因此設(shè)計制作車用夾具。

4.3 各個段的制作

我公司近年來研發(fā)的多個煤礦用多級泵，其中有很多體積大，重量大的承壓零部件，其中出水段、吸入段不僅結(jié)構(gòu)與我公司現(xiàn)有泵型有很大差異，而且壁厚非常不均勻，有的壁厚的厚度差超過了兩倍以上，此外，這些過流部件還要求不能滲漏，在查找多方資料后，在需要承壓的腔體內(nèi)圓角處和下底面，放置了相應(yīng)厚度的冷鐵，保證凝固順序;在無法放置冷鐵的區(qū)域內(nèi)，鋪設(shè)一定厚度的鉻礦砂;增加相應(yīng)冒口補(bǔ)貼，打開補(bǔ)縮通道;改變冒口放置位置，減少因冒口互相的熱量影響帶來的縮松傾向。

參考文獻(xiàn)：

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