楊德旭

HDM型臥式水平中開多級泵的優(yōu)化設(shè)計與分析

楊德旭1，2

（1.蘭州水泵總廠蘭州理工大學(xué)泵工程技術(shù)中心，甘肅蘭州730000；2.甘肅省流體機械（泵）節(jié)能工程實驗室，甘肅蘭州730000）

目前國內(nèi)體積最大的大流量、高揚程水平中開多級式石油化工流程泵，是吸取國內(nèi)外先進技術(shù)獨立研發(fā)的新一代大流量、高揚程離心泵。通過傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算與先進的數(shù)值模擬法相結(jié)合，利用Proe三維建模進行干涉檢查，及CFD分析軟件對內(nèi)部流場進行優(yōu)化設(shè)計。殼體級間過渡流道的兩支路采用180°對稱分布，并設(shè)計為雙蝸殼結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)新穎合理，外形美觀。殼體口環(huán)及中間襯套采用軸向剖分結(jié)構(gòu)，解決了零件的更換與維修問題。通過真機性能試驗數(shù)據(jù)表明，其不僅高效區(qū)寬、效率高、汽蝕性能好，而且具有運行平穩(wěn)、工作可靠等多項明顯的特點，達到了預(yù)期的設(shè)計目標，可完全替代國外進口產(chǎn)品。

石油化工泵；多級離心泵；流場分析；性能驗證

0　引言

隨著管道石油產(chǎn)品運輸業(yè)的發(fā)展，BB3系列中開多級重載輸油泵作為管道石油產(chǎn)品運輸?shù)暮诵脑O(shè)備越來越受到用戶的青睞。現(xiàn)國內(nèi)多數(shù)管道線上的設(shè)備為進口設(shè)備，BB3系列中開多級重載輸油泵是近幾年我國泵行業(yè)國產(chǎn)化的重要產(chǎn)品，國內(nèi)泵行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，水力性能設(shè)計在各種設(shè)計、模擬軟件及測繪軟件的支持下已經(jīng)逐漸滿足設(shè)計需求。

本論述敘述的是一臺為內(nèi)蒙伊泰化工公司120萬噸/年精細化學(xué)品項目設(shè)計制造的大流量、高揚程，能承壓10MPa的臥式中開式多級石油化工流程泵，在吸取國外同類泵如FLOWSERVE、SULZER等先進技術(shù)的同時，優(yōu)化創(chuàng)新，并嚴格按照國際API標準進行設(shè)計，通過設(shè)計、制造、性能試驗，保證其性能參數(shù)達標。

1　總體方案及特點

1.1設(shè)計參數(shù)

流量Q=960m3/h，揚程H=400m，汽蝕余量NPSHr≤4.2m，效率≥80%，配套電機功率Pn=2000kW，輸送介質(zhì)為105℃熱鉀堿溶液。在考慮泵軸向與徑向尺寸的同時，考慮到泵汽蝕余量較低，故轉(zhuǎn)速定為1450r/min，級數(shù)為5級，單級揚程80m。

1.2技術(shù)方案的確定

HDM型泵殼選用S30403鑄鋼件，強度高，耐腐蝕性強、焊接性能好。殼體采用水平中開軸向剖分式結(jié)構(gòu)，吸入口與吐出口均位于下泵體兩側(cè)，可以很好地傳遞和吸收來自管線的力和力矩；葉輪選用17-4PH，葉輪與軸過盈配合，為保證運轉(zhuǎn)可靠性，增加鍵連接。逐個葉輪采用分半卡環(huán)單獨固定，充分利用運轉(zhuǎn)時葉輪所承受的軸向力，保證葉輪的軸向定位，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸套定位方式，這樣增大了軸徑，提高了軸的剛度。首級葉輪為雙吸結(jié)構(gòu)，以此提高泵的抗汽蝕性能，次級葉輪均為單吸結(jié)構(gòu)，葉輪布置采用背靠背自平衡式結(jié)構(gòu)，有效平衡軸向力，剩余軸向力通過推力軸承平衡，徑向力由兩端徑向五塊可傾瓦支撐，提高了軸承的使用壽命和泵的可靠性；泵軸選用17-4PH，軸設(shè)計成階梯軸并且嚴格控制每一級葉輪處的軸徑公差，與葉輪配對加工，保證了每一級葉輪與軸的過盈量在很小的公差帶內(nèi)，方便葉輪的拆裝檢修。為減小轉(zhuǎn)子的徑向撓度，各級葉輪鍵槽沿軸向錯開180°布置，轉(zhuǎn)子部件按G1.0做動平衡試驗，確保泵運行平穩(wěn)，振動噪音小。上下殼體中開法蘭面設(shè)計成網(wǎng)狀紋理，通過中開面加工的網(wǎng)狀紋理讓中開面上的紋理擠壓形成相互接觸的面，并加聚四氟乙烯墊從而使其達到密封的作用，同時中開面螺栓選用大尺寸高強度42CrMo螺栓，且無規(guī)則布置，以增加表面摩擦系數(shù)，減小密封墊發(fā)生蠕動的可能；軸封選用雙端面集裝式機械密封并采用PLAN32+ 53B沖洗、冷卻方式，從而提高機械密封的可靠性，確保運行過程中被輸送介質(zhì)的零泄漏。泵整體結(jié)構(gòu)緊湊、合理（見圖1所示）。

圖1　HDM型泵結(jié)構(gòu)圖

2　設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)與經(jīng)驗，葉輪進出口面積比在1.1～1.4，屬高效范圍。另外對參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，將葉輪比轉(zhuǎn)速調(diào)至90～180的高效區(qū)進行設(shè)計，盡量減小葉輪入口直徑，減小液流在大直徑上撞擊的水力損失，同時縮小葉輪口環(huán)直徑，降低口環(huán)的泄漏量，提高容積效率。葉片進口采用較大沖角，增大葉片過流面積，使流道充滿液體，工作面不產(chǎn)生脫流區(qū)。增大葉輪前蓋板曲率半徑，減小旋渦的產(chǎn)生，并使葉片輪轂側(cè)前伸，為進口前蓋板側(cè)液體增加旋轉(zhuǎn)分量，減小相對速度，以提高泵的抗汽蝕性能。采用PROE軟件三維建模，采用計算流體力學(xué)CFD技術(shù)對流道及葉輪進行流場分析、優(yōu)化設(shè)計（見圖2、3所示），優(yōu)化后再進行試驗驗證，從而簡化縮短研發(fā)周期，保證一次試制成功。

目前國內(nèi)BB3型泵水力模型主要有兩類：一是前蘇聯(lián)水力模型發(fā)展而來的，其特點是級間各吸入室為半螺旋型吸入室，過渡流道為單流道單蝸殼，其徑向力主要依靠各級流道交錯形成一定的相位來平衡；二是20世紀八十年代，從意大利帕馬公司引進的水力模型，其特點主要是級間各吸入室為環(huán)形吸入室。本泵設(shè)計是級間各吸入室采用螺旋形吸入室，相比于國內(nèi)流行的半螺旋形和環(huán)形吸入室，螺旋形吸入室具有吸入性能更好、流速穩(wěn)定均勻的優(yōu)點。級間過渡流道的兩支路采用180°對稱分布，并設(shè)計為雙蝸殼結(jié)構(gòu)（見圖4所示），以平衡徑向力，更有利于減輕泵的振動，提高泵在大流量工況下運行的穩(wěn)定性，可以大大減少由于徑向力引起的軸撓度和軸承載荷。泵殼在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮了加工裝配工藝性及輸送介質(zhì)特性，平衡水管均采用法蘭連接，以防止帶有結(jié)晶特性的介質(zhì)結(jié)晶堵塞平衡水管。泵體口環(huán)處均設(shè)計為相同直徑，這樣大大減小了鏜孔的工藝難點。泵體中開面采用厚壁式結(jié)構(gòu)，可以提高密封的可靠性。

圖2　葉輪速度云圖

圖3　葉輪壓力云圖

圖4　殼體流道布置圖

為保證泵零件材料的耐磨、耐咬合，葉輪口環(huán)、殼體口環(huán)、中間襯套等摩擦副配合面或受力面需要硬度較高，在葉輪密封環(huán)、級間軸套等外圈堆焊硬質(zhì)合金Stellite6，以提高其耐磨性及耐腐蝕性，保證了兩個摩擦副耐磨表面有足夠的硬度差。殼體口環(huán)、中間襯套、卸壓套等零件采用軸向剖分結(jié)構(gòu)，方便易磨損零件的更換和檢修，并設(shè)置防轉(zhuǎn)銷。定子與轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)間隙在完全考慮了抽送介質(zhì)的性質(zhì)、材料的膨脹性和咬合特性以及容積效率的基礎(chǔ)上盡可能加大設(shè)計，間隙控制在0.2～0.3mm，使整個轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中實現(xiàn)良好的彈性支撐。

3　試驗結(jié)果分析

在設(shè)計一種全新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品時，通過經(jīng)驗公式以及仿真軟件計算，使設(shè)計的殼體在安全余量范圍之內(nèi)且安全余量系數(shù)不至于過大?？紤]到泵體流道較復(fù)雜，以致水力損失較大，故在CFD模擬的基礎(chǔ)上，對葉輪外徑作適當(dāng)加大，試驗時揚程較設(shè)計值高出23m，汽蝕余量僅為2.88m，達到了產(chǎn)品預(yù)定的性能要求，性能參數(shù)見表1。機組在連續(xù)運轉(zhuǎn)6h后測得，軸承最高溫度為32.4℃，最大振動為2.4mm/s，噪音不超過85dB，均滿足泵的性能使用要求。

表1　產(chǎn)品性能參數(shù)

4　結(jié)束語

通過結(jié)構(gòu)改進與試驗驗證，該型泵是在吸取國外先進技術(shù)的同時，進行了優(yōu)化創(chuàng)新。設(shè)計階段利用PROE、CFD、ANSYS等軟件進行理論驗證和校核，由此縮短了研發(fā)周期，提高了設(shè)計效率，使水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，效果更突出，使產(chǎn)品試驗值更接近理論值，從而提高了設(shè)計質(zhì)量，降低了試制成本。

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TG659

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.009

2016-6-15

楊德旭（1978-），男，漢族，甘肅皋蘭人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：水力機械及優(yōu)化設(shè)計。