趙萬勇
(甘肅工業(yè)大學(xué)流體機(jī)械及流體動(dòng)力系，甘肅蘭州730050)

　　摘　要：針對(duì)提灌和城市供水泵站使用的大型離心泵出現(xiàn)的泵軸和密封環(huán)損壞以及電機(jī)竄軸等問題，理論分析是由于單蝸室泵在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行形成徑向力所致，故建議實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)使泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，并且在制造大型離心泵時(shí)可采用雙蝸室結(jié)構(gòu)以盡可能消除徑向力，以使泵運(yùn)行平穩(wěn)。
　　關(guān)鍵詞：離心泵；徑向力；蝸室
　　中圖分類號(hào)：TU992.25
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)07-0058-04

　　我國北方地區(qū)由于地形特點(diǎn)所需提灌泵站揚(yáng)程都較高，一般都超過1 MPa，有些還是多級(jí)泵站，大多選用雙吸離心泵。一些大城市因供水量大、管路長，也都選用大型雙吸離心泵供水。這種泵耐汽蝕與受力性能都較好，運(yùn)行平穩(wěn)，維修方便。但在運(yùn)行中也常出現(xiàn)一些問題，如泵軸與軸套接觸的表面，以及軸套端面等處易發(fā)生疲勞破壞，對(duì)軸需進(jìn)行噴涂合金粉末修復(fù)才能繼續(xù)使用，否則就要報(bào)廢。另外，有的泵站為了抗磨蝕的需要，將材質(zhì)為鑄鐵的密封環(huán)換成了低碳鋼板制成的密封環(huán)，從泵啟動(dòng)到打開，出口閥門之間常發(fā)生抱軸現(xiàn)象，泵體密封環(huán)和葉輪密封環(huán)之間粘接，必須加大密封環(huán)間隙才能正常啟動(dòng)，而密封環(huán)間隙加大就會(huì)降低容積效率，影響泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。上述問題在大型泵站時(shí)有發(fā)生，困擾著安全正常運(yùn)行，需要從根本上加以解決。

1　原因分析

　　了解發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)的大型雙吸離心泵幾乎都是單蝸室泵，即采用螺旋形壓水室。造成使用螺旋形壓水室的原因有兩方面，其一是設(shè)計(jì)方法，一般對(duì)于大型泵可靠的設(shè)計(jì)方法是相似換算，即選取一個(gè)各方面性能優(yōu)良、泵型和比轉(zhuǎn)數(shù)相同的小泵作為模型泵，相似放大流道尺寸，通常小泵是單蝸室也就造成了大泵也是單蝸室；其二是追求泵的高效率，因擔(dān)心使用雙蝸室等其他結(jié)構(gòu)會(huì)增加過流表面，增大水力損失而降低效率。當(dāng)然單蝸室泵具有制造比較方便、泵性能曲線高效區(qū)域比較寬、車削葉輪后泵效率降低比較小等優(yōu)點(diǎn)，所以多數(shù)大型離心泵仍采用單蝸室結(jié)構(gòu)。
　　單蝸室泵在偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，水力上會(huì)產(chǎn)生與泵軸垂直方向的徑向力。特別是大型泵在啟動(dòng)(零流量)時(shí)，將產(chǎn)生很大的徑向推力作用于葉輪上，造成過度增加軸的撓度，這能引起密封環(huán)的快速磨損，或者對(duì)于使用粘性材料的密封環(huán)將發(fā)生咬合粘接，造成事故。撓度過大會(huì)造成泵軸與電機(jī)軸偏心，使電機(jī)竄軸。同時(shí)，徑向力對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸是一個(gè)交變載荷，在軸承跨度較大的雙吸泵內(nèi)，由于金屬材料的疲勞，常常發(fā)生泵軸的損壞。
　　根據(jù)以上分析可知，目前大型離心泵所發(fā)生泵軸和密封環(huán)損壞的原因，是單蝸室泵在偏離設(shè)計(jì)工況或零流量下運(yùn)行時(shí)形成的徑向力所致。

2　徑向力的產(chǎn)生和計(jì)算

2.1　徑向力的產(chǎn)生原因
　　在設(shè)計(jì)螺旋形壓水室時(shí)，設(shè)計(jì)思想是在設(shè)計(jì)流量下液體從葉輪中均勻流出，并在蝸室中作等速運(yùn)動(dòng)，即蝸室只起收集液體的作用，在擴(kuò)散管中才將液體的一部分動(dòng)能變?yōu)閴耗?，因此，螺旋形壓水室是在一定的設(shè)計(jì)流量(Qd)下為配合一定的葉輪而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的蝸室斷面面積為線性變化，在設(shè)計(jì)流量下蝸室可以基本上保證液體在葉輪周圍做均勻的等速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)葉輪周圍壓力大體是均勻分布的，在葉輪上面也就不會(huì)產(chǎn)生徑向力，葉輪和蝸室是協(xié)調(diào)一致工作的。
　　但是，無論是城市供水還是提水灌溉，需水量都有高峰和低谷。還有泵站設(shè)計(jì)者為可靠起見，給泵參數(shù)都留有余量，泵設(shè)計(jì)時(shí)一般也有余量，這樣，泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，常常偏離設(shè)計(jì)工況(偏大流量)。因此，不論泵在大流量或小流量下運(yùn)行，葉輪和蝸室協(xié)調(diào)一致的工作狀態(tài)就會(huì)遭到破壞，在葉輪周圍液體的流動(dòng)速度和壓力分布變得不均勻便形成了作用在葉輪上的徑向力。如泵流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，蝸室內(nèi)液體流動(dòng)速度必定減慢，另外，從葉輪出口速度三角形圖(見圖1)可看出，葉輪的出口速度不是減小反而增加了，方向也發(fā)生了變化。此液流和蝸室中的液流因速度大小和方向不同發(fā)生撞擊，其結(jié)果使流出葉輪液體的速度下降到蝸室里液體的流動(dòng)速度，同時(shí)把一部分動(dòng)能通過撞擊傳給蝸室內(nèi)的液體，使蝸室里液體壓力增高，另一部分動(dòng)能則在撞擊過程中損失掉了。因此，液體從泵隔舌開始到擴(kuò)散管進(jìn)口的流動(dòng)中不斷受到撞擊，不斷增加壓力，致使蝸室里壓力從隔舌開始不斷上升。而泵流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)則與之相反。因此，泵偏離設(shè)計(jì)工況造成壓力分布不均勻是形成徑向力的主要原因。

2.2　徑向力的計(jì)算
　　目前尚無計(jì)算徑向力的精確公式，為了計(jì)算徑向推力，用測(cè)量軸的撓度，并用靜負(fù)荷對(duì)軸的撓度進(jìn)行標(biāo)度的方法，可以確定徑向力的大小，徑向力可按下式計(jì)算：

　　　　　P=0.36［1-(Q／Qd)₂］HD₂B₂γ　　　　　(1)

　　式中　D₂——葉輪外徑，m
　　　　　B₂——包括蓋板的葉輪出口寬度，m
　　　　　γ——液體體積質(zhì)量

3　工程實(shí)例

3.1 實(shí)際問題
　　甘肅某泵站一大型雙吸離心泵，設(shè)計(jì)工況Q=3m³/s、H=560 kPa、n=600r/min、η=88%，采用單螺旋形壓水室。實(shí)際運(yùn)行的泵揚(yáng)程為520 kPa，實(shí)際流量為3.5 m³/s，加上輸送黃河含沙水造成的汽蝕與泥沙磨損破壞使報(bào)廢鑄鐵密封環(huán)成魚鱗坑和蜂窩狀坑，深度為4～10mm，最深處可達(dá)12 mm以上，泵效率由88%下降到68%，其主要原因是密封環(huán)間隙加大致容積效率降低。
　　為解決密封環(huán)的嚴(yán)重磨損問題，在泵體密封環(huán)內(nèi)加一個(gè)鋼板制成的鋼圈，經(jīng)一年運(yùn)行，最大磨損量不到0.4 mm(鑄鐵密封環(huán)達(dá)5 mm)，而且破壞痕跡明顯減輕，可見鋼板耐泥沙磨損性能明顯強(qiáng)于鑄鐵。但葉輪和泵體密封環(huán)均為鋼板時(shí)，從泵啟動(dòng)到打開泵出口閥門之間時(shí)常發(fā)生抱軸現(xiàn)象，又因泵密封環(huán)和葉輪密封環(huán)是咬合粘接，為安全起見將葉輪密封間隙從0.64 mm(設(shè)計(jì)間隙為0.36～0.64 mm)加大到1.2 mm才能正常啟動(dòng)。在泵啟動(dòng)時(shí)，具有滑動(dòng)軸承的大型電機(jī)常發(fā)生電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)問題，竄軸嚴(yán)重者，使電機(jī)軸瓦端面與軸肩摩擦，造成軸承溫度過高而不能正常運(yùn)行。
　　同時(shí)，該泵和泵站的其他雙吸泵長期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，造成泵軸表面疲勞破壞致使泵軸報(bào)廢。
3.2　理論計(jì)算與分析
　?、賳?dòng)時(shí)泵軸產(chǎn)生的撓度
　　零流量時(shí)的徑向合力由式(1)計(jì)算為：

　　　P=0.36×56×1.15×0.274×1040=6606.5 kg=64810 N

　　按對(duì)稱支承計(jì)算軸的A處和B處(見圖2)的撓度為：

　　　yA=P·l³／48EJ=0.949 mm
　　　yB=P·x／48EJ(3l²-4x²)=0.38 mm
　　式中　E——材料彈性模數(shù)
　　　　　J——軸斷面慣性矩
　　由計(jì)算可知，該單蝸室泵在零流量下產(chǎn)生很大的徑向力，致使泵軸的撓度在密封環(huán)處大于最大設(shè)計(jì)值0.64 mm(計(jì)算時(shí)未考慮轉(zhuǎn)子約2000 kg的質(zhì)量和軸套等的影響)，造成了鋼板密封環(huán)粘接。實(shí)際運(yùn)行時(shí)已加大到1.2 mm，可見該徑向力已超出軸的設(shè)計(jì)剛度的承受能力，即使在鑄鐵密封環(huán)處未發(fā)生粘接，由計(jì)算可知磨損也是不可避免的，這也是應(yīng)當(dāng)防止的。

　　另外，在聯(lián)軸器處(B處)造成了0.38 mm的泵軸和電機(jī)軸的偏心。由于原裝為尼龍柱銷聯(lián)軸，而尼龍柱銷壓縮性很小，無法補(bǔ)償啟動(dòng)時(shí)徑向力造成的偏心，致使產(chǎn)生對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向推力，造成電機(jī)軸瓦端面與軸肩摩擦。改用彈性圈柱銷聯(lián)軸器后，由于橡膠彈性圈能補(bǔ)償一定的偏心，經(jīng)試驗(yàn)沒有軸向力產(chǎn)生，電機(jī)不再竄軸。當(dāng)然只是因補(bǔ)償了偏心才解決了電機(jī)竄軸問題，并沒有從根本上消除偏心，偏心問題仍會(huì)影響泵平穩(wěn)運(yùn)行。
　?、诿芊猸h(huán)間隙對(duì)效率的影響
　　不同的密封環(huán)間隙對(duì)泵效率的影響見表1。由于鋼板組織細(xì)密、韌性好和不易脫落等優(yōu)點(diǎn)，耐汽蝕和磨損明顯優(yōu)于鑄鐵，并且由表1計(jì)算可知，采用鋼板密封環(huán)可減小泄漏量，提高容積效率16.5%，提高泵效率14.7%。

表1　不同密封環(huán)間隙下容積效率和泵效率的對(duì)比 口環(huán)間隙 效率 泄漏量 b(mm) η(%) ηv(%) ηmηh(%) q(m³/s) 0.64(設(shè)計(jì)值) 88.0 98.8 89.1 0.03580 0.4+0.64 86.8 97.4 89.1 0.08024 5.0+0.64 72.1 80.9 89.1 0.58000 1.2+0.64 84.3 94.7 89.1 0.16200 注：使用計(jì)算公式

　　　q／2=Dm·π·b／（1+0.5φ）^0.5（2gHm）^0.5+λL／2b
　　　ηv=(Q-q+q1)/(Q+q1) (q1=0.035 8m³/s)
　　　η=ηvηmηh
　　計(jì)算中設(shè)水力效率ηh和機(jī)械效率ηm不變，實(shí)際上是要降低的。

　　由于啟動(dòng)時(shí)徑向力過大，為防止鋼板密封環(huán)咬合，加大密封環(huán)間隙從0.64 mm到1.2 mm，卻造成容積效率降低4.1%，泵效率降低3.7%。一般而言，提高大型泵效率的1%都是相當(dāng)困難的，但經(jīng)濟(jì)效益卻十分顯著。如該提灌工程使用這樣的大型泵就有100多臺(tái)，由于采用單蝸室泵，加大了密封間隙，致使泵效率下降。
　　③偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)的徑向力
　　當(dāng)流量Q=3.5m³/s時(shí)，徑向力由式(1)計(jì)算為P=23 379.7 N，加上轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量，這些力對(duì)泵軸是交變載荷，能使泵軸產(chǎn)生疲勞破壞。
　　因此，泵軸和密封環(huán)的損壞以及電機(jī)竄軸等，均為徑向力造成過大的泵軸撓度所為。對(duì)于單蝸室泵應(yīng)避免偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，如果是泵揚(yáng)程偏大，可通過車削葉輪外徑保證泵在設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行，并且應(yīng)盡量減少泵頻繁啟動(dòng)，以免過大的徑向力對(duì)泵軸和密封環(huán)造成破壞。

4　大型離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由以上計(jì)算和分析可知，大型單蝸室泵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大徑向力的弊端是無法完全消除的，根本的解決方法應(yīng)當(dāng)是在泵的設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮，如可加粗泵軸和選用較好的材料，以增加軸的剛度，并加大支點(diǎn)的剛性，但這樣也并未完全消除徑向力。最好的辦法是用水力方法在各種工況下平衡徑向力，可采用導(dǎo)葉加蝸室的結(jié)構(gòu)來平衡作用于葉輪上的徑向力（見圖3），這種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、維修不便，并增大了泵的體積，會(huì)增加泵站的下挖深度等。較為簡(jiǎn)單的是用結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙蝸室來平衡徑向力(見圖4)。過去由于鑄造技術(shù)水平有限，在中開面上的流道對(duì)準(zhǔn)和清砂相對(duì)困難，隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)在已不是難題。設(shè)計(jì)良好的雙蝸室泵的效率接近單蝸室泵(在1%以內(nèi))，效率曲線更加平坦，而且當(dāng)流量超過設(shè)計(jì)流量值時(shí)，泵效率的改善情況比在小流量工況時(shí)的更為顯著。采用雙蝸室泵體之所以能在大、小流量工況下改善效率，原因在于葉輪出口周圍的壓力分布比單蝸室中更加均勻，葉輪出流情況更好。在雙蝸室中速度頭轉(zhuǎn)化為壓力能發(fā)生在擴(kuò)散管中，引導(dǎo)第一個(gè)蝸室中的液體流出的流道(第二個(gè)蝸室的外側(cè))是等斷面的(見圖4)，否則效率降低會(huì)超過1%。所以，大型離心泵設(shè)計(jì)為雙蝸室能為高效安全運(yùn)行創(chuàng)造條件。

　　　　　

5　結(jié)論

　?、俅笮蛦挝伿冶迷趩?dòng)時(shí)會(huì)形成較大的徑向力，它可造成密封環(huán)磨損或粘接以及電機(jī)竄軸等問題，這一點(diǎn)是不容忽視的，應(yīng)盡量避免頻繁啟動(dòng)和偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，以防形成過大的徑向力。
　?、谠O(shè)計(jì)大型離心泵時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙蝸室壓水室，能基本平衡徑向力，消除因軸產(chǎn)生撓度而引起的問題，擴(kuò)大泵的運(yùn)行范圍，提高容積效率。

參考文獻(xiàn)：

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　　收稿日期：2000-09-21