自平衡型多级离心泵的结构设计

赵从菊

（长沙天鹅工业泵股份有限公司，湖南 长沙 410114）

自平衡型多级离心泵的结构设计

赵从菊

（长沙天鹅工业泵股份有限公司，湖南 长沙 410114）

摘要：本文扼要介绍了自平衡型多级离心泵结构设计，阐明了其轴向力平衡结构设计要点以及节流减压装置结构设计原理，提出了结构简化和提高抗汽蚀性能方面的优化设计。

自平衡型；多级离心泵；节流减压；结构设计

前言

多级离心泵广泛应用于矿井排水、油田注水、输油管线、石化流程、锅炉给水等给排水工程。但传统泵型采用特别“娇嫩”的平衡轴向力装置（如平衡盘装置），其“发病率”极高且泄漏量大。一般泵平衡盘的泄漏量为额定流量的4%-10%，高扬程小流量泵高达20%[1]。很多设计者在平衡盘优化设计方面做了大量工作，也无法根本解决此问题。采用自平衡型多级离心泵减少传统泵型故障发生频率，消除传统多级泵平衡水的泄漏，提高多级泵运行的可靠性和提高容积效率。因此自平衡型多级离心泵成了所有多级离心泵设计师共同研讨的课题。

1、总体结构设计

自平衡多级离心泵结构设计如图1，其液流路线如图2中箭头方向所示。

图1 自平衡型多级离心泵结构图

图2 自平衡型多级离心泵液流路线图

泵采用双支承结构（滚动或滑动轴承）承受径向和轴向载荷，双轴封（即低压区端“①-④级”和“⑤-⑧级”高压区端均密封），轴封形式为填料或机械密封两种。

将多级泵叶轮对称配置在低压区段和高压区段，相互抵消叶轮产生的轴向推力，采用级间节流减压装置阻止高压段的液体向低压段回流。在高压区段设有轴封，采用高压区端节流减压装置和回水管系统调节轴封压力，保证轴封前腔液体压力符合轴封要求。

2、轴向力的平衡

自平衡多级离心泵叶轮总级数为偶数级时，理论上轴向力相互抵消而完全平衡。但由于叶轮、导轮等流道零部件制造时，流道部位几何形状尺寸精度和相对位置精度与设计存在偏差，不可避免地存在大小和方向不确定的残余轴向力，该力靠推力轴承来承受。

叶轮总级数为奇数级时，由于低压区段与高压区段的叶轮数相差一级，完全平衡轴向力的条件被破坏。设计时考虑采用以下措施：

（1）设置推力轴承，如单列向心推力轴承或推力盘（瓦）轴承来承受单向的不平衡轴向力；

（2）首级叶轮采用无轴向力的双吸式叶轮，且首级采用此种叶轮形式还有利于提高泵的抗汽蚀性能；

（3）泵的末级叶轮采用双口环开平衡孔或设背叶片（副叶片）[2]的叶轮来实现整个转子的轴向力平衡，实际上开平衡孔或设背叶片仍有10-15%的轴向力没有平衡掉，仍需靠推力轴承来承受。因此叶轮设置时让高压区段的级数比低压区段级数多一级，以减轻高压区端轴承压力，同时使泵轴受力处于拉杆状态。

3、节流减压装置设计

3.1 级间节流减压装置

从图2可以看出，低压区段末级叶轮（第4级）出口压力P4与高压区段末级叶轮（第8级）之间存在压力差△P1=P8-P4，这将造成级间泄漏，其泄漏量随着△P1的增大需急剧增加，为了减少泄漏，在两区段之间应设置级间节流减压装置。在设计时按最大压差△Pmax计算。考虑到两端轴承跨距太大，级间节流减压装置必要时，可设计成兼作滑动轴承和节流减压组合式的结构。

3.2 高压区端节流减压装置

高压区端轴封前腔，根据不同的轴封型式，允许的密封压力P封通常有一定的范围（前腔内应保持的压力范围），而高压区段进水室的水压等于低压区段末级叶轮的出口压力P末（图2所示的出口压力P4），则进水室与轴封前腔形成压力差△P2，当该△P2较大时需要在两者之间设置节流减压装置，保证前腔的水压在规定的P封范围之内。

因多级泵叶轮级数有一定的变化范围，而轴封一旦选定，则P封范围固定不变，随泵叶轮级数的增加或减少将导致△P2的增大或减小，直接影响减压装置设计参数和减压效果；另外由于选择设计的有关系数经验公式的局限性和可靠性等不确定因素的影响，设计后的减压装置可能出现偏差，可能出现如下两种情况：

（1）当减压装置压降过大，使得前腔压力过小，甚至造成负压时，则轴封缺水或无水润滑、冷却，将出现轴封“烧坏”的现象，因此需设法向前腔引入压力水满足P封的压力范围。

（2）当减压装置减压效果差，前腔压力大大超过P封允许值时，则轴封泄漏严重甚至无法控制，因此需设法向外卸压控制P封的压力范围。

为防止以上两种情况发生，在前腔设回水管与第一级叶轮中段箱连通，并在此管路上设有截止阀和压力表（设在图1中第“6”项部件“平衡管”上），以便观察、调节、控制前腔的压力。当前腔压力满足P封时，关闭截止阀；出现上述中（1）种情况时打开截止阀，由第一级叶轮水进入前腔并控制压力满足的P封要求；出现上述中（2）种情况时同样打开截止阀，前腔的高压水回流到第一级叶轮中段箱卸压，控制P封的压力范围。根据压力表所示计数来决定调节截止阀的开度。

3.3 节流减压装置设计

图1中的两种节流减压装置（11级间节流减压装置和15高压区端节流减压装置）实际上是采用迷宫密封原理。在泄漏通道内设置多个环形或螺旋槽来增加泄漏流动中的阻力，当泄漏通道两端压差完全损失掉时即可实现完全不漏。图3中的A1、A2、A3 和 B1、B2、B3 所示为常用的节流减压装置形式。

图3 节流减压装置设计形式

为进一步增加泄漏通道的阻力，减少泄漏，平衡两端压差可将图2中A1、A2、A3的环形槽优化设计成螺旋槽。如图3中的 B1、B2、B3 所示。

4、总体结构的优化设计

前面所述结构设计在高压区端设有轴封，为了保证轴封前腔液体压力符合轴封要求，需增设一套节流减压装置和回水管系统。这种结构复杂，回水系统在运行时需精心调节和控制。

保留原有结构（1）低压区段、高压区段叶轮的配置方式；（2）级间节流减压装置；（3）低压区端轴封以及能承受径向和轴向载荷的轴承等主要结构和功能。在此情况下进行结构设计的优化。

优化后泵的尾端（自由端）为水润滑滑动轴承，只承受径向载荷，此轴承箱部封闭，因此高压区端不需设置轴封，取消高压区端节流减压装置和回水系统如图4。从第⑤级叶轮泵腔内引润滑水（其压力为P5）至轴承密封腔，结果使轴端受到一个向左的轴向力，该力抵消一部分向右的不平衡轴向力，残余的轴向力由推力轴承承受。

因此结构优化设计后轴承结构大大简化、双支承间的跨距缩短、重量减少、减少制造成本，运行时平稳，维修方便。

另外，高压区端进水室非金属水润滑滑动轴承可设计成通用部件，轴承材料选用非金属材料如夹布塑料掺入二硫化钼轴承、尼龙轴承、聚四氟乙烯浸渍金属（铜粉）轴承、赛龙轴承等。

图4 总体结构优化设计图示

图5 总体结构优化设计图示

5、泵抗汽蚀性能的改进

当前矿井排水、油田注水、输油管线、锅炉给水等水泵，不但要求高压供水，且对泵抗汽蚀性能的要求越来越高。一般多级离心泵设计时，总考虑对首级叶轮采用以下措施来提高泵的抗汽蚀性能。

（1）适当加大叶轮进口有效直径D0；

（2）适当加宽叶片在时口边处的宽度b1；

（3）合理确定叶轮前盖板进口部分的曲率半径；

（4）叶片进口边向吸入口方向延伸；

（5）合理确定叶片进口冲角；

（6）叶片进口厚度尽可能薄；

（7）长短叶片相间配置；

（8）提高光洁度；

（9）首级叶轮采用双吸式。

上述这些措施，国外有资料显示，单独采用（1）和（2）最佳情况下所能达到的汽蚀比转速C=1500左右。如果在一设计中联合采用（1）和（2）项，最佳条件下汽蚀比转速C=2000，但即使获得这样中等的抗汽蚀性能，这是以降低水泵效率（10-20）%的代价换来的，要设计出非常好的抗汽蚀叶轮，但效率指标不可接受。根据离心式叶轮前设诱导轮大幅度提高抗汽蚀性能的实践经验，一般可达C=300-400，运行特殊的设计方法目前最高可达C=6300。因此在自平衡多级离心泵结构设计中可在图4结构基础上作进一步改进，在该结构的首级叶轮前设置诱导轮，如图5。并利用SolidWorks或Pro/E生成诱导轮叶片实体模型[3]，可迅速直观地比较叶片的好坏，并加以改进，达到有效提高水泵抗汽蚀性能的目的。

结束语

自平衡多级离心泵采用叶轮对称布置、独有的节流减压装置，奇数级平衡装置的新结构、新技术，突破了多级泵的传统结构；取消了高压降、易磨损、易出故障的平衡盘，转子部件无轴向窜动，运行更平稳、可靠，检修和维护成本大大降低；同时没有平衡盘的泄漏，提高了水泵的容积效率；如在设计时同时采用诱导轮结构，使泵更具有良好的抗汽蚀性能。自平衡多级离心泵是传统多级离心泵比较好的替代产品，其性能更优越，更适合于介质性质更为恶劣的场合，值得推广。

［1］ 关醒凡.泵的理论与设计（第一版）［M］.机械工业出版社，1987

［2］ 沈阳水泵研究所叶片泵设计手册［M］.机械工业出版社

［3］ 张涛，关醒凡.使用Pro/E的诱导轮叶片三维设计［J］.水泵技术，2003，（5）

The Structural Design of Self-balancing Type Multi-stage Centrifugal Pump

ZHAO Cong-ju
（Changsha Swan Industrial Pump Co.,Ltd.Changsha 410114,Hunan）

This paper introduces the self-balancing type multi-stage centrifugal pump design,Illustrates the axial force balance design points and throttle pressure reliefdesign principles,the structure is proposed tosimplifyand improve the anti-cavitation performance ofthe optimal design.

self-balancingtype；multi-stage centrifugal pump；throttle pressure reliefdevice；optimal design

TH311

A

1671-5004（2011） 03-0001-02

2011-5-9

赵从菊（1965-），女，湖南常德人，华中科技大学工程师，研究方向：水泵设计和水系统节能改造。