CN103835987A - 低温深井泵 - Google Patents

Abstract

船用低温深井泵的发展趋势是低温下的可靠性，低必需汽蚀余量，高效节能和便于维护。针对这个现状和发展趋势，SCW低温深井泵在结构设计上突破，采用高压自紧结构设计、磁浮轴承等；使用新材料如用高分子材料，以增强船用低温深井泵的安全、可靠、防腐防漏、减振降噪等特性。具体为采用多级叶轮结构来实现较高的扬程，采用成熟的斜出口深井泵水力模型，泵进口配诱导轮，达到预计水力性能；使用不锈钢铸件，不锈钢轴，PTFE密封件，石墨滑动轴承等材料来适应达零下104摄氏度的低温环境；机械密封腔配增压器，同时利用上滑动轴承的间隙降压作用，以确保泵高压运行时泵送液体不外泄，确保安全；采用停车密封的设计使泵在维修时泵送液体不外泄，从而保证环境安全。使用管子分段，管子法兰连接，轴用硬联轴器连接来达到5-22米的液下深度。

Description

低温深井泵

技术领域：

本发明涉及一种船用低温深井泵，用于海面下输送液体。 

背景技术：

深井泵以其基础设备要求少，受外界环境影响小，解决自吸问题和维护方便的优点在船上得到广泛应用，并且由于船用深井泵大都用在非常重要的位置，故大多需要船级社认证。如应用介质有水，滑油，天然、液化气，化工原料和CO2等。常用流量范围是150m3/h到800m3/h，目前船用液化天然气深井泵的扬程大都是120m。当前的低温深井泵大多采用离心式叶轮，效率不是最高。筒体拆装困难，不便于维护。泵吐出段易变形，应力大，刚度差，受力变形大，振动大，易共振。而且国内低温深井泵设计方法难以完全满足用户提出的性能参数、重量外形、可靠性、环境条件等多目标设计要求。同时，鉴于目前国内在低温深井泵尤其是船用方面无泄漏、高抗汽蚀性等方面的技术基础比较薄弱，漏水、漏油、漏气的“三漏”现象尚未完全杜绝。泵在吸入真空度大于允许吸入真空度时，发生汽蚀现象。主要发生在叶轮外缘叶片及盖板，涡壳或导轮处，不会发生在叶片进口处。例如流量大于设计流量时发生在叶片进口靠近前盖板的叶片正面处。当叶轮入口处压强下降至被送液体在工作温度下的饱和蒸汽压时，液体将会发生部分汽化，生成的气泡将随液体从低压区进入高压区，在高压区气泡会急剧收缩，凝结，其周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占空间，产生高强度的冲击波，冲击叶轮和泵壳，发生噪音引起震动。由于长期受到冲击力反复作用以及液体中微量溶解氧的化学腐蚀作用，叶轮局部表面出现斑痕和裂纹甚至成海绵状损坏。 

目前常用的船用低温深井泵有以下两种主要类型。 

1.立式独立排液单壳蜗壳离心泵，见图1 

2.泵叶轮和导叶部分是多级径向导叶离心泵，安装型式是立式悬吊结构，见图2 

船用低温深井泵的发展趋势是低温下的可靠性，低必需汽蚀余量，高效节能和便于维护。针对这个现状和发展趋势，我公司决定研发能补充现有产品的不足，符合技术发展趋势的SCW系列新产品。我们在结构设计上突破，采用高压自紧结构设计、磁浮轴承等；使用新材料如用高分子材料，以增强船用低温深井泵的安全、可靠、防腐防漏、减振降噪等特性。另外我们在采用了新型传动设计、制造技术。结构见图3 

水泵的吸水性能通常是用允许吸上真空高度来衡量的，Hs值越大，说明水泵的吸水性能越好，或者说，抗汽蚀性能越好。但是，对于轴流泵、大型混流泵和深井泵等，其安装高度通常是负值，叶轮常须安在最低水面下，对于这类泵通常采用“汽蚀余量”来衡量它们的吸水性能。 

为了防止汽蚀现象的发生，在实际工作中离心泵的有效气蚀余量NPSHa必须满足下面的条件： 

NPSH_a＝(P_A-P)/(ρg)-Z_g-∑h_A-S≥NPSH_r

式中： 

NPSHa——离心泵工作时的有效汽蚀余量； 

NPSHr——离心泵工作时的必需气蚀余量； 

PA——吸入管液面上压力； 

Pv——液体在吸入温度下的饱和蒸汽压； 

ρ——液体密度； 

Zg——泵的安装高度； 

∑h_A-S——吸入管阻力损失。 

由以上公式可知，要防止汽蚀现象的发生，必须提高离心泵工作时的有效汽蚀余量。要想改善这些状况，可以考虑做以下改善： 

1、增大入口压力，降低转速 

增大离心泵入口压力，可提高吸入管液面压力PA，对吸入管增设增压系统，以保证PA足够大，使流体经吸入管到达离心泵压力最低点过程中的能量降低后，流体仍有足够的压力保证其大于流体本身的饱和 蒸汽压Pv。有实验研究表明，离心泵在低负压和高转速状态下工作，泵的汽蚀是不可避免的，有时在起步阶段不到1秒钟，就会发生严重的汽蚀现象。因此降低离心泵工作时的转速，提高离心泵入口压力，都能有效的防止汽蚀的发生。 

2、增加诱导轮 

在离心泵叶轮前面增加一个叶片负荷很低的轴流式叶轮，通常称之为诱导轮。诱导轮不同于一般的轴流泵，它的轮毂比较小，叶片安放角也小，叶片数也少，叶栅密度大，这些特点使之具有很好的抗汽蚀性能。诱导轮产生的扬程能为后继的离心叶轮起到增压作用，使离心叶轮入口不产生气蚀。除诱导轮本身具有优良的抗汽蚀性能外，再加上它距离泵入口很近，能较明显的减少从泵入口到叶轮进口间的能量降低值。 

3、降低液体饱和蒸汽压 

降低流体本身的饱和蒸汽压Pv，而饱和蒸汽压与温度有密切的关系。当温度升高时，Pv也增大，反之，Pv则减小。因此在油库等输油场所，离心泵在夏季更易发生汽蚀现象，而他们一般采取的措施为夜间输油。在实际生产运行中，可以降低吸入罐内液体的温度、在泵前增加冷凝器或在吸入管路生喷洒冷却水等方式来降低流体温度，从而达到降低流体饱和蒸汽压的目的。 

4、管路设计 

减小管路的阻力损失，那就要求在设计吸入管路时要保证管路短而直，减少管路中间的弯头、阀门等设备。最好保证入口管路内径大于出口管路内径。 

5、合理的安装高度 

调整安装高度，可以降低泵的安装高度或提高入口容器的安装高度，预防汽蚀。离心泵的安装高度需满足以下条件： 

Z_g≤(P_A-P_v)/(ρg)-∑h_A-S-NPSH_r

允许吸上真空度 

为使离心泵正常工作，Hs需满足以下条件： 

$H_s=Z_g+\left(C_s^2\right)/\left(2g\right)+\mathrm{\Σ}{h}_{A-S}\≤H_{\mathrm{sc}}$

H_sc＝H_s+0.3 

式中： 

H_s——离心泵工作时的吸上真空度； 

C_s——流体在离心泵入口处的速度； 

H_sc——离心泵的临界吸上真空度； 

0.3——国家标准规定采用的安全余量。 

为防止汽蚀的发生，就必须降低离心泵工作时的吸上真空度。 

安装高度 

保证泵的安装高度符合： 

Z_g≤H_sc-(C_s ²)/(2g)+∑h_A-S

也可采用倒灌的方式，这样泵入口将具有足够大的灌注头，保证离心泵入口始终处于正压条件下，可明显降低H_s值。 

降低流速 

降低流速，可适当降低离心泵工作时的流量，或在设计吸入管路前，选择一条直径较大的吸入管路， 从而可降低吸入管内流体的流速。也可在离心泵前增设低速泵，在降低流速的同时，提供给流体一定的能量，以保证在泵入口不会发生气蚀。离心泵前增加旁通阀也可适当调整泵入口的流速。 

降低阻力损失 

降低∑h_A-S，除了以上提到的方法外，也可定时清理离心泵入口流道的杂质、污垢，以保证流道的光滑，减小流动阻力系数。 

提高离心泵本身的抗汽蚀性能 

适当的调整离心泵的结构和材料，可提高离心泵的抗汽蚀性能，从而减小离心泵在生产运行中发生汽蚀的可能性。 

改进泵入口的结构设计 

适当增加叶轮入口直径和叶片入口宽度，降低叶轮入口的绝对速度和相对速度，不过还需要兼顾泵的效率；叶片进口边向叶轮进口外延和减少前盖板与叶轮轴线夹角，即减少液流从轴向到径向的过渡程度，缩短了从泵入口到叶轮入口之间的距离，减少了液流从轴向到径向的转弯损失。 

提高流道光滑度 

增强叶轮入口处流道的光滑度和流线型，可降低其阻力损失，从而增强离心泵的抗汽蚀性能，但高光滑度和较强流线型流道的制作对材料和制造技术都要求过高，需较高的成本投入。 

采用抗汽蚀性能较好的材料 

近几十年来，抗汽蚀材料的研究和开发取得了很大进展，抗汽蚀材料的应用大大提高了流体机械的性能和使用寿命，成为减轻汽蚀破坏的有效途径之一。实践表明，材料的强度、硬度、韧性越高，化学稳定性越好，抗汽蚀的性能越好。在常用离心泵材料中，稀土合金铸铁、高镍铬合金、不锈钢2Crl3、铝铁青铜9-4等材料，强度和韧性高、硬度高、化学稳定性好，有良好的抗汽蚀性能。 

发明内容：

我们在设计低温深井泵时考虑多级叶轮结构提高扬程，泵入口配诱导轮可以达到预计的扬程和汽蚀余量，然后采用不锈钢件，PTFE密封，石墨滑动轴承来适应低温环境，同时水力部件采用厚壁设计，密封腔配增压器；采用管子分段设计增加液下深度，同时为了维护方便，采用手孔和大孔套小孔的结构使管子易拆卸，具体如下： 

1.采用多级叶轮结构来实现较高的扬程。采用成熟的深井泵水力模型，泵进口配诱导轮，达到预计水力性能：转速达1788rpm，流量达600m3/h，扬程达149.5m，效率达84.3％，必需汽蚀余量3.7m 

2.使用不锈钢铸件，不锈钢轴，PTFE密封件，石墨滑动轴承等材料来适应达零下104摄氏度的低温环境 

3.液下轴承采用产品润滑的石墨滑动轴承使泵转子能在低温下自由运转 

4.水力部件采用厚壁设计，机械密封腔配增压器，同时利用上滑动轴承的间隙降压作用，以确保泵高压运行时泵送液体不外泄，确保安全 

5.停车密封的设计使泵在维修时泵送液体不外泄，从而保证环境安全 

6.重型滚动轴承单元能承受泵运行或重量产生的所有轴向力 

7.使用管子分段，管子法兰连接，轴用硬联轴器连接来达到5-22米的液下深度 

8.采用手孔和大管套小管结构使管子易装易拆，使泵易于维护 

9.风扇的设计使轴承单元和机封腔不过热，使泵可以长时间运行 

综上所述，SCW系列泵在低温下运行更可靠，具备更低的必需汽蚀余量(1480rpm下，最低1.1m)，更高的效率(约84.3％)以节能，同时更加便于维护。 

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1传统的独立排液单壳蜗壳离心泵外观结构图 

图2另一种传统的泵叶轮和导叶部分是多级径向导叶离心泵，安装型式是立式悬吊结构的外观结构图。 

图3为本发明例中外观结构图 

图4为本发明中的导叶叶轮外观图 

图5为本发明中的筒体组件的外观图 

图6为本发明中的泵吐出组件 

具体实施方式：

参见图3-6， 

导叶和叶轮组件采用多滑动轴承的立式单壳空间导叶离心泵。效率更高，径向力最小，滑动轴承个数多，从而滑动轴承寿命长，轴向推力方向固定，冷热冲击变形小，振动小，吊装容易，见图4；筒体组件采用便拆式单管带滑动轴承支架结构。轴对称，温度影响一致，不宜变形；可单独拆卸和安装筒体部件内的单个管体部件，便于维护；采用沟槽密封垫，管子之间易对中：联轴器采用键联接，不易咬死：滑动轴承采用泵送介质润滑，操作更加简单，见图5；泵吐出组件采用轴承支撑电机支架连接，电机支架有2-3件，单个零件短，有加固，不易变形，安装后不易继续变形。整体应力小，刚度好，受力变形小，振动小，不易共振，见图6。 

Claims (3)

1.一种低温深井泵采用多级叶轮结构(1)提高扬程，泵入口配诱导轮可以达到预计的扬程和汽蚀余量，然后采用不锈钢件，PTFE密封，石墨滑动轴承来适应低温环境，同时水力部件采用厚壁设计，密封腔配增压器；筒体(2)采用管子分段设计增加液下深度，同时为了维护方便，采用手孔和大孔套小孔的结构使管子易拆卸。

2.权利要求1中导叶和叶轮组件的采用多滑动轴承的立式单壳空间导叶离心泵。效率更高，径向力最小，滑动轴承个数多，从而滑动轴承寿命长，轴向推力方向固定，冷热冲击变形小，振动小，吊装容易。

3.权利要求2筒体组件采用便拆式单管带滑动轴承支架结构。轴对称，温度影响一致，不宜变形；可单独拆卸和安装筒体部件内的单个管体部件，便于维护；采用沟槽密封垫，管子之间易对中；联轴器采用键联接，不易咬死；滑动轴承采用泵送介质润滑。

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