一种抗磨损多级圆盘泵结构设计

2013-09-07陈永超陈国明周昌静

石油矿场机械 2013年10期

陈永超，陈国明，李伟，周昌静

（中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛266580）①

多级泵能够满足高扬程、高流量、高效率工况的需要，在石化、建筑、消防等行业得到了广泛的应用［1］。目前，常用的多级泵有节段式和水平中开式2种。节段式的特点是每一级由扩压壳体、内叶轮及导叶组成，优点是耐高压、不易泄漏，缺点是拆装难度大。水平中开式多级泵的结构分为上下泵体，在轴心的水平剖面对接，且进出口管及部分蜗壳流道铸造在下部泵壳体上，维修拆装方便，水力效率较高。2种结构形式的多级泵产品如图1所示。

由于水平中开式多级泵具有拆卸方便、水力损失小、装配误差小等优点，被广泛应用于输送不含固相颗粒的清水介质。但是，随着石油、化工等行业的发展，尤其是在长距离输送高黏度、携带大量气体、含有高浓度固相颗粒及含对剪切力敏感的介质等多相流介质时，现有的多级泵仍无法满足需要，因此迫切需要开发一种能够长距离可靠输送、抗汽蚀、、抗磨损的多相流多级泵。本文提出了一种可输送多相流介质的水平中开式多级圆盘泵，目前已经申请发明专利［2］。

图1 2种结构形式的多级圆盘泵

1 新型多级圆盘泵结构

1.1 结构和工作原理

如图2所示为新型水平中开式多级圆盘泵结构，主要由泵体、泵盖、泵主轴及特殊结构形式的叶轮组成。多级圆盘泵沿水平轴线分为泵体、泵盖2部分。泵体、泵盖采用水平中开法兰连接。在主轴上安装多个特殊形式的叶轮，构成多级泵，采用级间过渡流道形式实现上下级多相流介质过渡。其中，叶轮两盖板内表面周向加工有特殊形式的“波纹”以替代普通叶轮内部叶片，叶轮盖板间距足够大以满足输送含大固体颗粒的多相流介质。

多级圆盘泵正常工作时，电机带动泵主轴高速旋转，多相流介质由多级泵入口进入第1级蜗壳内，在叶轮的高速旋转带动下，多相流介质由第1级排出口经第2级吸水室入口，进入第2级蜗壳内部。在第2级叶轮的高速旋转带动下，进一步增加输送介质的扬程，接着进入第3级蜗壳内，经第3级排出口排出，从而实现物料的泵送。

图2 新型水平中开式多级圆盘泵结构

1.2 特点

该型多级圆盘泵采用的蜗壳式过渡流道包括环形蜗壳（或是准螺旋形蜗壳）及过渡流道。过渡流道截面积形状可以是圆形或是具有倒角的矩形，其横截面积的总和与多级泵进口面积近似相等。单个过渡流道最小面积应不堵塞输送介质。过渡流道可以是径向扩散形式或斜向扩散形式，其数目为1～3个，可根据输送颗粒直径大小决定。过渡流道高度可根据所设计的多级泵结构合理确定。

该型多级泵选用特殊结构形式的叶轮，主要由主动叶轮盖板、从动叶轮盖板、圆柱形连接臂组成，如图3所示。

图3 多级圆盘泵特殊形式叶轮结构

主动叶轮盖板由泵主轴通过键连接带动高速旋转，主动叶轮盖板与从动叶轮盖板之间通过圆柱形连接臂连接。主动叶轮盖板与从动叶轮盖板内侧并无真实叶片，取而代之的是盖板内侧表面周向加工有特殊形式的“波纹”，“波纹”的形式可以采用正弦波或余弦波等，其中“波纹”高度大小较主动盖板与从动盖板之间距离相对较小，“波纹”数目一般在10～30个。

2 性能特点

1）多相流介质经过叶轮内部时，由于叶轮高速旋转，在叶轮表面“波纹”叶片的带动下，靠近叶轮表面处介质相对速度小，压力大；叶轮盖板中间无叶片区域相对速度大，压力小，所输送介质中的固相颗粒及对剪切力敏感介质主要集中于无叶区，因此对叶轮磨损程度较小。

2）因叶轮无叶片，泵运转平稳，气体也主要集中于叶轮无叶区，汽蚀对叶轮几乎无损害，增加了泵的可靠性。

3）由于叶轮盖板间间距较大，可输送较大直径的固相颗粒；叶轮盖板依靠边界层效应及黏性拖曳力原理带动多相流介质高速旋转，可输送含高黏度的多相流介质，且随着介质黏度的增加，多级泵效率呈现上升趋势。

4）该型水平中开式多级圆盘泵进口为环形吸水室，在输送大颗粒固相介质时，环形吸水室进口对输送固相介质不会产生堵塞影响，对泵效率影响也不大。

设计结构特殊，与普通多级离心泵相比，新型水平中开式多级圆盘泵的优势是：

1）通过性能好，叶轮磨损小。

2）抗气蚀性能好，工作平稳无脉动。

3）通过叶轮级数增加，可长距离输送多相流介质。

4）单级叶轮产生的轴向力、径向力远小于普通多级泵叶轮。

5）可输送各种多相流介质，适应范围广。

6）多级泵零部件较少，易加工装配。

3 应用前景

新型多级圆盘泵可用于长距离输送高黏度、携带大量气体、含有高浓度固相颗粒的介质及输送含对剪切力敏感的介质等多相流介质，具有抗汽蚀、抗磨损、拆卸方便、装配误差小等优点。下面以海底泥浆举升钻井技术及海洋资源开发技术为例说明该泵的应用前景。

3.1 深水钻井领域

双梯度钻井技术（Dual－Gradient Drilling，简称DGD）是20世纪90年代发展起来的新型钻井技术，在深水钻井中具有显著的技术和经济优势，已取得良好的工业应用效果，具有广阔的应用前景［3］。AGR公司的RMR无隔水管双梯度钻井技术，是迄今已投入工业应用的DGD项目之一。无隔水管泥浆回收钻井系统如图4所示。海底泥浆举升泵作为无隔水管双梯度钻井技术实现的关键设备，其性能的好坏对整个系统有着直接影响［4］。作为海底泥浆举升泵不但要求高效可靠、抗磨损、无堵塞，还要能长距离输送携带大量气体、含有高浓度固相颗粒等多相流介质［5－6］。

该水平中开式多级泵具有独特的结构形式，除了满足海底泥浆举升钻井作业的要求外，还具有结构简单、易加工装配、拆卸方便、装配误差小等优点。

图4 无隔水管泥浆回收钻井系统

3.2 海底采矿领域

海底蕴藏着极为丰富的矿产资源，例如多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等。开发海洋矿产资源是一项新兴产业，作为技术关键，首先必须解决海底采掘及其提升至海面的有关方法和设备。由于深海矿产资源的特殊极端环境、特殊赋存状态和环境保护的限制，深海矿产资源的开采技术必然是一项复杂高难度技术，也是诸多现代高新技术的高度集成，更是海洋资源开发的前沿［7］。

水力提升式采矿法是目前被认为适用于深海多金属结核开采、技术比较成熟、应用前景较大的一种采矿方法［8］。水力提升采矿系统如图5所示。该系统中的深海采矿提升泵应具有足够的扬程和流量，考虑到海底环境和系统其他要求，深海开采专用提升泵还应具备良好通过性、结构简单、可靠性高、耐用性好、抗腐蚀性能好等特点。

该型水平中开式多级泵叶轮结构特殊，圆盘盖板之间间距较大，无堵塞性能好，运行平稳，工作长期可靠，比较适合深海矿产资源输送的应用场合。该泵具有深海开采专用提升泵的基本特征，随着技术成熟，其在海洋采矿输送领域将有广阔的应用前景。