梁曉玲, 姜 萍， 徐 靖， 田瑞嬌

(河海大學(xué)文天學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

煤炭是我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)和人民日常生活所需的重要資源，煤炭工業(yè)是我國的基礎(chǔ)工業(yè)。隨著我國煤礦開采深度、開采強(qiáng)度、開采速度、開采規(guī)模的增加和擴(kuò)大，水災(zāi)害威脅越來越重。一些礦山已經(jīng)超過千米，水壓過大，傳統(tǒng)的水災(zāi)害防治措施已經(jīng)失去效果，不得不采取具備抗災(zāi)性能的大功率水電泵[1-2]作為防治水災(zāi)的主要措施。因此迫切需要單級大流量、高揚(yáng)程、大功率的礦用潛水離心泵，解決千米礦井搶險(xiǎn)救災(zāi)排水技術(shù)難題。

在煤礦水災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)中，潛水救災(zāi)泵的運(yùn)行條件十分惡劣且運(yùn)行時(shí)間很長，經(jīng)常2～3個(gè)月不停止工作，因此對潛水救災(zāi)泵的運(yùn)行穩(wěn)定性要求很高。傳統(tǒng)的多級離心泵多采用葉輪挨個(gè)布置方式，泵在運(yùn)行使用過程中會(huì)產(chǎn)生很大的軸向力[3]?，F(xiàn)階段我國對平衡力的處理通常采用平衡盤或平衡鼓機(jī)構(gòu)來平衡，但由于平衡力無法完全消除，泵在使用過程中平衡機(jī)構(gòu)總會(huì)產(chǎn)生磨損，進(jìn)而導(dǎo)致其他轉(zhuǎn)子零件磨損、泵軸振動(dòng)、電動(dòng)機(jī)發(fā)熱等問題，從而使泵的效率降低，正常使用壽命縮短，影響泵的安全可靠運(yùn)行[4-5]。同時(shí)，由于平衡機(jī)構(gòu)的零件屬于易損件，需要經(jīng)常更換，不僅增加了用戶設(shè)備維修費(fèi)用，而且使泵的運(yùn)行穩(wěn)定性無法得到保障，進(jìn)而無法滿足千米礦井救災(zāi)排水技術(shù)要求。

ZQ1000-90型潛水泵是我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率多級礦用潛水離心泵，該泵采用雙泵體結(jié)構(gòu)，上、下泵各9級，葉輪在泵體內(nèi)對稱排列布置，與傳統(tǒng)多級離心泵相比，該泵可實(shí)現(xiàn)絕大部分軸向力自平衡，即各級葉輪產(chǎn)生的軸向力相互抵消，從而大大減少離心泵的軸向力。為保證潛水離心泵的可靠、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，提高離心泵的使用效率，延長其使用壽命，應(yīng)對離心泵軸向力進(jìn)行精確計(jì)算并加以平衡。

1 軸向力的產(chǎn)生[6-7]

1.1 泵葉輪兩端壓力差產(chǎn)生的軸向力

當(dāng)離心泵正常運(yùn)行時(shí)，葉輪出口的液體絕大部分經(jīng)過泵的出口排出，有一小部分回流到葉輪蓋板兩側(cè)的環(huán)形腔室中。由于葉輪兩側(cè)壓強(qiáng)分布不對稱，因此產(chǎn)生軸向力，用F1表示，其方向指向葉輪入口。

1.2 液體動(dòng)反力

在離心泵中，液體是自軸向流入葉輪，由徑向流出，故液體軸向動(dòng)量變化導(dǎo)致液體對葉輪產(chǎn)生一個(gè)軸向動(dòng)反力，方向與F1方向相反，用F2表示。

1.3 首級葉輪軸頭力

對雙泵體離心泵而言，介質(zhì)經(jīng)下泵升壓后再流入上泵，在上泵進(jìn)水口處會(huì)有部分有壓介質(zhì)作用在軸頭上，由于上、下泵的進(jìn)口壓強(qiáng)不同，即首級葉輪軸頭力大小不同，這也是ZQ1000-90潛水離心泵與傳統(tǒng)離心泵存在差別的地方。首級葉輪軸頭力之差為插值軸向力，工程中差值軸向力FC用進(jìn)口壓強(qiáng)差與作用面積的乘積進(jìn)行估算，插值軸向力也是雙泵體離心泵軸向力的主要來源。

2 軸向力的計(jì)算

對ZQ1000-90型雙泵體對旋大功率多級礦用潛水離心泵軸向力進(jìn)行計(jì)算，給定的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 離心泵技術(shù)參數(shù)

注：介質(zhì)為水。

2.1 各級進(jìn)出口壓力計(jì)算

2.1.1 進(jìn)出口速度三角形的求解

1)圓周速度u。葉輪內(nèi)任意點(diǎn)的圓周速度由下式計(jì)算，其方向與所在點(diǎn)的圓周相切。

(1)

式中:u----圓周速度,m/s；

n----葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；

D----計(jì)算點(diǎn)葉輪直徑，m。

2)軸面速度vm。由連續(xù)流動(dòng)方程知，軸面速度為

(2)

式中:qVT----理論體積流量,m3/s；

qV----實(shí)際體積流量，m3/s；

A----與軸面速度相垂直的過流斷面面積，m2；

ηV----容積效率，%。

由于過流斷面被葉片厚度s占去一部分，設(shè)每一葉片在圓周方向的厚度為δ，葉輪有z個(gè)葉片，則總厚度為zδ，當(dāng)葉片寬度為b時(shí)，葉片占去的總面積為zδb，則過流斷面面積應(yīng)為

(3)

3)絕對速度的圓周分量

(4)

4)絕對速度

(5)

5)相對速度應(yīng)為

(6)

根據(jù)以上公式求得進(jìn)、出口速度三角形參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 葉輪進(jìn)出口速度三角形參數(shù)

2.1.2 離心泵動(dòng)、靜揚(yáng)程的求解

離心泵的能量方程表達(dá)式為

(7)

式中,HT為理想流體通過葉輪時(shí)的揚(yáng)程，單位為m；第一項(xiàng)是流體通過葉輪后所增加的動(dòng)能，又稱為動(dòng)揚(yáng)程，用HdT表示,為減小損失，這部分動(dòng)能將在壓出室內(nèi)部分的轉(zhuǎn)換為壓力能；第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是流體通過葉輪后所增加的壓力能，又稱靜揚(yáng)程，用HsT表示。其中第二項(xiàng)由工作原理知，是由離心力的作用所增加的壓力能；第三項(xiàng)則是由于流道過流斷面增大，導(dǎo)致流體相對速度下降所轉(zhuǎn)換的壓力能。

實(shí)際動(dòng)揚(yáng)程表達(dá)式為；

(8)

實(shí)際靜揚(yáng)程表達(dá)式為:

(9)

根據(jù)式(8)和式(9)可以計(jì)算出實(shí)際動(dòng)、靜揚(yáng)程，分別為28.326 m和58.093 m。多級離心泵的水力參數(shù)見表3。

表3 離心泵水力參數(shù)

注：介質(zhì)為水。

2.1.3 多級離心泵各級進(jìn)出口壓力計(jì)算

根據(jù)表2和表3數(shù)值進(jìn)行多級離心泵各級進(jìn)出口壓力計(jì)算，其進(jìn)出口壓力計(jì)算公式為

(10)

式中：p1----進(jìn)口壓力，Pa；

p2----出口壓力，Pa；

S----流體通過葉輪及兩級間的損失，此處取6 m。

多級離心泵進(jìn)出口壓力見表4。

表4 多級離心泵進(jìn)出口壓力 Pa

續(xù)表4

2.2 ZQ1000-90型潛水離心泵對稱軸向力計(jì)算

多級離心泵的軸向力理論計(jì)算推導(dǎo)中，由于只考慮了主要因素對軸向力影響，忽略了其他未知原因，按照計(jì)算公式求得的軸向力的計(jì)算值往往比實(shí)測值小的多，工程中常常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，文中運(yùn)用英國Addison推薦的軸向力計(jì)算公式[8]進(jìn)行估算。

(11)

H----全揚(yáng)程，m。

根據(jù)式(11)計(jì)算出多級潛水離心泵的對稱軸向力的計(jì)算值為247.265 kN，方向指向葉輪進(jìn)口方向，由于ZQ1000-90葉輪在泵體內(nèi)對稱排列布置，該對稱軸向力相互抵消，從而大大減少離心泵的軸向力。

2.3 ZQ1000-90型潛水離心泵差值軸向力計(jì)算

由于9級單吸式離心泵的軸向力非常大，為平衡該軸向力且進(jìn)一步提高揚(yáng)程，實(shí)際中ZQ1000-90型18級潛水離心泵采用雙泵體結(jié)構(gòu)，即上、下泵各9級且葉輪在泵體內(nèi)對稱排列布置。液體從下泵吸入體流進(jìn)，經(jīng)過9級葉輪升壓后通過中間連接體進(jìn)入上泵吸入體，再經(jīng)過9級葉輪升壓后經(jīng)吸入吐出體流出，介質(zhì)流動(dòng)過程(9級葉輪用4級葉輪表示)如圖1所示。

圖1 ZQ1000-90型潛水離心泵介質(zhì)流動(dòng)過程

由圖1可知，潛水離心泵上、下泵軸向力是泵葉輪兩端壓力差產(chǎn)生的軸向力F1和液體動(dòng)反力F2之和，即平衡軸向力F和F′大小相等，方向相反，相互抵消，這也是離心泵采用雙泵體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。但是由于上、下泵進(jìn)口壓強(qiáng)不同，即首級葉輪軸頭力大小不同，由首級葉輪軸頭力產(chǎn)生的差值軸向力FC無法消除。工程中差值軸向力FC用進(jìn)口壓強(qiáng)差與作用面積的乘積進(jìn)行估算，計(jì)算結(jié)果為7.55 kN，方向指向泵體入口處，此部分軸向力應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行消除。

3 結(jié) 語

通過上、下泵軸向力及離心泵軸向力的計(jì)算可以看出，采用雙泵體結(jié)構(gòu)后軸向力大幅度減小，雙泵體結(jié)構(gòu)在消除軸向力方面優(yōu)勢明顯。

離心泵運(yùn)行時(shí)影響離心泵軸向力的因素很多，無法精確計(jì)算，其影響難以量化估計(jì)。因此，合理考慮主要因素，忽略次要因素，并選用合適的軸向力估算公式能夠提高軸向力的計(jì)算精度，為后期采取合理措施進(jìn)行消除離心泵軸向力提供理論依據(jù)。