趙萬勇
(甘肅工業(yè)大學流體機械及流體動力系，甘肅蘭州730050)

　　摘　要：針對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)損壞以及電機竄軸等問題，理論分析是由于單蝸室泵在偏離設計工況下運行形成徑向力所致，故建議實際運行時應使泵在設計工況下運行，并且在制造大型離心泵時可采用雙蝸室結構以盡可能消除徑向力，以使泵運行平穩(wěn)。
　　關鍵詞：離心泵；徑向力；蝸室
　　中圖分類號：TU992.25
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)07-0058-04

　　我國北方地區(qū)由于地形特點所需提灌泵站揚程都較高，一般都超過1 MPa，有些還是多級泵站，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，運行平穩(wěn)，維修方便。但在運行中也常出現(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，對軸需進行噴涂合金粉末修復才能繼續(xù)使用，否則就要報廢。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，而密封環(huán)間隙加大就會降低容積效率，影響泵站的經(jīng)濟運行。上述問題在大型泵站時有發(fā)生，困擾著安全正常運行，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，其一是設計方法，一般對于大型泵可靠的設計方法是相似換算，即選取一個各方面性能優(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，因擔心使用雙蝸室等其他結構會增加過流表面，增大水力損失而降低效率。當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，所以多數(shù)大型離心泵仍采用單蝸室結構。
　　單蝸室泵在偏離設計工況運行時，水力上會產(chǎn)生與泵軸垂直方向的徑向力。特別是大型泵在啟動(零流量)時，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。撓度過大會造成泵軸與電機軸偏心，使電機竄軸。同時，徑向力對于轉(zhuǎn)動軸是一個交變載荷，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計工況或零流量下運行時形成的徑向力所致。

2　徑向力的產(chǎn)生和計算

2.1　徑向力的產(chǎn)生原因
　　在設計螺旋形壓水室時，設計思想是在設計流量下液體從葉輪中均勻流出，并在蝸室中作等速運動，即蝸室只起收集液體的作用，在擴散管中才將液體的一部分動能變?yōu)閴耗?，因此，螺旋形壓水室是在一定的設計流量(Qd)下為配合一定的葉輪而設計的。設計的蝸室斷面面積為線性變化，在設計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動，此時葉輪周圍壓力大體是均勻分布的，在葉輪上面也就不會產(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。還有泵站設計者為可靠起見，給泵參數(shù)都留有余量，泵設計時一般也有余量，這樣，泵實際運行時，常常偏離設計工況(偏大流量)。因此，不論泵在大流量或小流量下運行，葉輪和蝸室協(xié)調(diào)一致的工作狀態(tài)就會遭到破壞，在葉輪周圍液體的流動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。如泵流量小于設計流量時，蝸室內(nèi)液體流動速度必定減慢，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，其結果使流出葉輪液體的速度下降到蝸室里液體的流動速度，同時把一部分動能通過撞擊傳給蝸室內(nèi)的液體，使蝸室里液體壓力增高，另一部分動能則在撞擊過程中損失掉了。因此，液體從泵隔舌開始到擴散管進口的流動中不斷受到撞擊，不斷增加壓力，致使蝸室里壓力從隔舌開始不斷上升。而泵流量大于設計流量時則與之相反。因此，泵偏離設計工況造成壓力分布不均勻是形成徑向力的主要原因。

2.2　徑向力的計算
　　目前尚無計算徑向力的精確公式，為了計算徑向推力，用測量軸的撓度，并用靜負荷對軸的撓度進行標度的方法，可以確定徑向力的大小，徑向力可按下式計算：

　　　　　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　工程實例

3.1 實際問題
　　甘肅某泵站一大型雙吸離心泵，設計工況Q=3m³/s、H=560 kPa、n=600r/min、η=88%，采用單螺旋形壓水室。實際運行的泵揚程為520 kPa，實際流量為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)的嚴重磨損問題，在泵體密封環(huán)內(nèi)加一個鋼板制成的鋼圈，經(jīng)一年運行，最大磨損量不到0.4 mm(鑄鐵密封環(huán)達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于鑄鐵。但葉輪和泵體密封環(huán)均為鋼板時，從泵啟動到打開泵出口閥門之間時常發(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(設計間隙為0.36～0.64 mm)加大到1.2 mm才能正常啟動。在泵啟動時，具有滑動軸承的大型電機常發(fā)生電機轉(zhuǎn)子軸向竄動問題，竄軸嚴重者，使電機軸瓦端面與軸肩摩擦，造成軸承溫度過高而不能正常運行。
　　同時，該泵和泵站的其他雙吸泵長期偏離設計工況運行，造成泵軸表面疲勞破壞致使泵軸報廢。
3.2　理論計算與分析
　　①啟動時泵軸產(chǎn)生的撓度
　　零流量時的徑向合力由式(1)計算為：

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

　　按對稱支承計算軸的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)處大于最大設計值0.64 mm(計算時未考慮轉(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。實際運行時已加大到1.2 mm，可見該徑向力已超出軸的設計剛度的承受能力，即使在鑄鐵密封環(huán)處未發(fā)生粘接，由計算可知磨損也是不可避免的，這也是應當防止的。

　　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，無法補償啟動時徑向力造成的偏心，致使產(chǎn)生對電機轉(zhuǎn)子的軸向推力，造成電機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償一定的偏心，經(jīng)試驗沒有軸向力產(chǎn)生，電機不再竄軸。當然只是因補償了偏心才解決了電機竄軸問題，并沒有從根本上消除偏心，偏心問題仍會影響泵平穩(wěn)運行。
　　②密封環(huán)間隙對效率的影響
　　不同的密封環(huán)間隙對泵效率的影響見表1。由于鋼板組織細密、韌性好和不易脫落等優(yōu)點，耐汽蝕和磨損明顯優(yōu)于鑄鐵，并且由表1計算可知，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比 口環(huán)間隙 效率 泄漏量 b(mm) η(%) ηv(%) ηmηh(%) q(m³/s) 0.64(設計值) 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
　　計算中設水力效率ηh和機械效率ηm不變，實際上是要降低的。

　　由于啟動時徑向力過大，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%都是相當困難的，但經(jīng)濟效益卻十分顯著。如該提灌工程使用這樣的大型泵就有100多臺，由于采用單蝸室泵，加大了密封間隙，致使泵效率下降。
　?、燮x設計工況時的徑向力
　　當流量Q=3.5m³/s時，徑向力由式(1)計算為P=23 379.7 N，加上轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量，這些力對泵軸是交變載荷，能使泵軸產(chǎn)生疲勞破壞。
　　因此，泵軸和密封環(huán)的損壞以及電機竄軸等，均為徑向力造成過大的泵軸撓度所為。對于單蝸室泵應避免偏離設計工況運行，如果是泵揚程偏大，可通過車削葉輪外徑保證泵在設計流量下運行，并且應盡量減少泵頻繁啟動，以免過大的徑向力對泵軸和密封環(huán)造成破壞。

4　大型離心泵的結構設計

　　由以上計算和分析可知，大型單蝸室泵在運行時產(chǎn)生較大徑向力的弊端是無法完全消除的，根本的解決方法應當是在泵的設計時加以考慮，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，可采用導葉加蝸室的結構來平衡作用于葉輪上的徑向力（見圖3），這種結構相對復雜、維修不便，并增大了泵的體積，會增加泵站的下挖深度等。較為簡單的是用結構對稱的雙蝸室來平衡徑向力(見圖4)。過去由于鑄造技術水平有限，在中開面上的流道對準和清砂相對困難，隨著科技進步，現(xiàn)在已不是難題。設計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，而且當流量超過設計流量值時，泵效率的改善情況比在小流量工況時的更為顯著。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)生在擴散管中，引導第一個蝸室中的液體流出的流道(第二個蝸室的外側)是等斷面的(見圖4)，否則效率降低會超過1%。所以，大型離心泵設計為雙蝸室能為高效安全運行創(chuàng)造條件。

　　　　　

5　結論

　?、俅笮蛦挝伿冶迷趩訒r會形成較大的徑向力，它可造成密封環(huán)磨損或粘接以及電機竄軸等問題，這一點是不容忽視的，應盡量避免頻繁啟動和偏離設計工況運行，以防形成過大的徑向力。
　?、谠O計大型離心泵時，可采用結構對稱的雙蝸室壓水室，能基本平衡徑向力，消除因軸產(chǎn)生撓度而引起的問題，擴大泵的運行范圍，提高容積效率。

參考文獻：

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　　收稿日期：2000-09-21