一種抗磨損多級圓盤泵結構設計

陳永超，陳國明，李 偉，周昌靜

（中國石油大學 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島266580）①

多級泵能夠滿足高揚程、高流量、高效率工況的需要，在石化、建筑、消防等行業得到了廣泛的應用［1］。目前，常用的多級泵有節段式和水平中開式2種。節段式的特點是每一級由擴壓殼體、內葉輪及導葉組成，優點是耐高壓、不易泄漏，缺點是拆裝難度大。水平中開式多級泵的結構分為上下泵體，在軸心的水平剖面對接，且進出口管及部分蝸殼流道鑄造在下部泵殼體上，維修拆裝方便，水力效率較高。2種結構形式的多級泵產品如圖1所示。

由于水平中開式多級泵具有拆卸方便、水力損失小、裝配誤差小等優點，被廣泛應用于輸送不含固相顆粒的清水介質。但是，隨著石油、化工等行業的發展，尤其是在長距離輸送高黏度、攜帶大量氣體、含有高濃度固相顆粒及含對剪切力敏感的介質等多相流介質時，現有的多級泵仍無法滿足需要，因此迫切需要開發一種能夠長距離可靠輸送、抗汽蝕、、抗磨損的多相流多級泵。本文提出了一種可輸送多相流介質的水平中開式多級圓盤泵，目前已經申請發明專利［2］。

圖1 2種結構形式的多級圓盤泵

1 新型多級圓盤泵結構

1.1 結構和工作原理

如圖2所示為新型水平中開式多級圓盤泵結構，主要由泵體、泵蓋、泵主軸及特殊結構形式的葉輪組成。多級圓盤泵沿水平軸線分為泵體、泵蓋2部分。泵體、泵蓋采用水平中開法蘭連接。在主軸上安裝多個特殊形式的葉輪，構成多級泵，采用級間過渡流道形式實現上下級多相流介質過渡。其中，葉輪兩蓋板內表面周向加工有特殊形式的“波紋”以替代普通葉輪內部葉片，葉輪蓋板間距足夠大以滿足輸送含大固體顆粒的多相流介質。

多級圓盤泵正常工作時，電機帶動泵主軸高速旋轉，多相流介質由多級泵入口進入第1級蝸殼內，在葉輪的高速旋轉帶動下，多相流介質由第1級排出口經第2級吸水室入口，進入第2級蝸殼內部。在第2級葉輪的高速旋轉帶動下，進一步增加輸送介質的揚程，接著進入第3級蝸殼內，經第3級排出口排出，從而實現物料的泵送。

圖2 新型水平中開式多級圓盤泵結構

1.2 特點

該型多級圓盤泵采用的蝸殼式過渡流道包括環形蝸殼（或是準螺旋形蝸殼）及過渡流道。過渡流道截面積形狀可以是圓形或是具有倒角的矩形，其橫截面積的總和與多級泵進口面積近似相等。單個過渡流道最小面積應不堵塞輸送介質。過渡流道可以是徑向擴散形式或斜向擴散形式，其數目為1～3個，可根據輸送顆粒直徑大小決定。過渡流道高度可根據所設計的多級泵結構合理確定。

該型多級泵選用特殊結構形式的葉輪，主要由主動葉輪蓋板、從動葉輪蓋板、圓柱形連接臂組成，如圖3所示。

圖3 多級圓盤泵特殊形式葉輪結構

主動葉輪蓋板由泵主軸通過鍵連接帶動高速旋轉，主動葉輪蓋板與從動葉輪蓋板之間通過圓柱形連接臂連接。主動葉輪蓋板與從動葉輪蓋板內側并無真實葉片，取而代之的是蓋板內側表面周向加工有特殊形式的“波紋”，“波紋”的形式可以采用正弦波或余弦波等，其中“波紋”高度大小較主動蓋板與從動蓋板之間距離相對較小，“波紋”數目一般在10～30個。

2 性能特點

1） 多相流介質經過葉輪內部時，由于葉輪高速旋轉，在葉輪表面“波紋”葉片的帶動下，靠近葉輪表面處介質相對速度小，壓力大；葉輪蓋板中間無葉片區域相對速度大，壓力小，所輸送介質中的固相顆粒及對剪切力敏感介質主要集中于無葉區，因此對葉輪磨損程度較小。

2） 因葉輪無葉片，泵運轉平穩，氣體也主要集中于葉輪無葉區，汽蝕對葉輪幾乎無損害，增加了泵的可靠性。

3） 由于葉輪蓋板間間距較大，可輸送較大直徑的固相顆粒；葉輪蓋板依靠邊界層效應及黏性拖曳力原理帶動多相流介質高速旋轉，可輸送含高黏度的多相流介質，且隨著介質黏度的增加，多級泵效率呈現上升趨勢。

4） 該型水平中開式多級圓盤泵進口為環形吸水室，在輸送大顆粒固相介質時，環形吸水室進口對輸送固相介質不會產生堵塞影響，對泵效率影響也不大。

設計結構特殊，與普通多級離心泵相比，新型水平中開式多級圓盤泵的優勢是：

1） 通過性能好，葉輪磨損小。

2） 抗氣蝕性能好，工作平穩無脈動。

3） 通過葉輪級數增加，可長距離輸送多相流介質。

4） 單級葉輪產生的軸向力、徑向力遠小于普通多級泵葉輪。

5） 可輸送各種多相流介質，適應范圍廣。

6） 多級泵零部件較少，易加工裝配。

3 應用前景

新型多級圓盤泵可用于長距離輸送高黏度、攜帶大量氣體、含有高濃度固相顆粒的介質及輸送含對剪切力敏感的介質等多相流介質，具有抗汽蝕、抗磨損、拆卸方便、裝配誤差小等優點。下面以海底泥漿舉升鉆井技術及海洋資源開發技術為例說明該泵的應用前景。

3.1 深水鉆井領域

雙梯度鉆井技術（Dual－Gradient Drilling，簡稱DGD）是20世紀90年代發展起來的新型鉆井技術，在深水鉆井中具有顯著的技術和經濟優勢，已取得良好的工業應用效果，具有廣闊的應用前景［3］。AGR公司的RMR無隔水管雙梯度鉆井技術，是迄今已投入工業應用的DGD項目之一。無隔水管泥漿回收鉆井系統如圖4所示。海底泥漿舉升泵作為無隔水管雙梯度鉆井技術實現的關鍵設備，其性能的好壞對整個系統有著直接影響［4］。作為海底泥漿舉升泵不但要求高效可靠、抗磨損、無堵塞，還要能長距離輸送攜帶大量氣體、含有高濃度固相顆粒等多相流介質［5－6］。

該水平中開式多級泵具有獨特的結構形式，除了滿足海底泥漿舉升鉆井作業的要求外，還具有結構簡單、易加工裝配、拆卸方便、裝配誤差小等優點。

圖4 無隔水管泥漿回收鉆井系統

3.2 海底采礦領域

海底蘊藏著極為豐富的礦產資源，例如多金屬結核、富鈷結殼和熱液硫化物等。開發海洋礦產資源是一項新興產業，作為技術關鍵，首先必須解決海底采掘及其提升至海面的有關方法和設備。由于深海礦產資源的特殊極端環境、特殊賦存狀態和環境保護的限制，深海礦產資源的開采技術必然是一項復雜高難度技術，也是諸多現代高新技術的高度集成，更是海洋資源開發的前沿［7］。

水力提升式采礦法是目前被認為適用于深海多金屬結核開采、技術比較成熟、應用前景較大的一種采礦方法［8］。水力提升采礦系統如圖5所示。該系統中的深海采礦提升泵應具有足夠的揚程和流量，考慮到海底環境和系統其他要求，深海開采專用提升泵還應具備良好通過性、結構簡單、可靠性高、耐用性好、抗腐蝕性能好等特點。

該型水平中開式多級泵葉輪結構特殊，圓盤蓋板之間間距較大，無堵塞性能好，運行平穩，工作長期可靠，比較適合深海礦產資源輸送的應用場合。該泵具有深海開采專用提升泵的基本特征，隨著技術成熟，其在海洋采礦輸送領域將有廣闊的應用前景。

圖5 水力提升采礦系統

4 結論

1） 提出了一種輸送多相流介質的新型水平中開式多級圓盤泵結構。其葉輪蓋板內表面周向加工有特殊形式的“波紋”以替代普通葉輪內部葉片，具有抗汽蝕、抗磨損、工作平穩等優點。

2） 可用于長距離輸送高黏度介質、攜帶大量氣體介質、含有高濃度固相顆粒介質及輸送含對剪切力敏感等多相流介質。

4） 在深水鉆井及海底采礦等諸多領域有著較為廣闊的應用前景。

［1］關醒凡.現代泵技術手冊［K］.北京：宇航出版社，1995.

［2］陳國明，陳永超，尹樹孟，等.一種可輸送多相流介質的水平中開式多級泵：中國，CN 102606483A［P］.2012－07－25.

［3］殷志明.新型深水雙梯度鉆井系統原理、方法及應用研究［D］.東營：中國石油大學，2007：4－6.

［4］方華燦.海洋深水雙梯度鉆井用水下裝備［J］.石油礦場機械，2008，37（11）：1－6.

［5］高本金.海底泥漿舉升圓盤泵流場仿真與性能研究［D］.東營：中國石油大學，2009：25－26.

［6］周昌靜，陳國明，高本金，等.海底泥漿舉升葉片圓盤泵軸向力預測［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：28－31.

［7］陽 寧，王英杰.海底礦產資源開采技術研究動態與前景分析［J］.礦業裝備，2012（1）：54－57.

［8］謝龍水.深海水力提升式采礦系統的研究［J］.中國礦業，1995（1）：30－35.