石化設備泵理論分析和設計研究

摘要：文章在簡單介紹設備泵在石油化工行業應用范圍和重要性的基礎上，對某型離心泵的設計理念、方法和特點進行了歸納與分析，并對設計過程中重要的技術創新以及取得的實際效果進行了總結。實際應用結果表明，該型離心泵具有高效、節能、節材等諸多優勢，對于石化企業更好的實現自身社會與經濟效益能夠發揮出一定的推動作用，而在設計過程中采用的方式和理念對于國內離心泵設計與優化工作的開展同樣具有參考和借鑒的價值。

關鍵詞：石化設備；離心泵；理論與設計

中圖分類號：TH3 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）18-0015-02

在確保石油化工企業日常生產活動順利進行的各類設備中，泵是一種應用非常廣泛的石化設備，無論是齒輪泵、往復泵還是離心泵，石化裝置幾乎涉及全部類型泵的應用，其中，尤以離心泵的應用最為廣泛。本文以某廠沖壓焊接離心泵為例，對石化設備泵的理論和設計進行分析與研究。該型離心泵是我國最早的沖壓焊接離心泵之一，是低比轉速離心泵設計與制造的重要革新，具有環保、低噪、高可靠性、節能、節材等諸多優勢，因此一經推出，就在國內外石油化工行業中得到了非常迅速的推廣和使用，是中小型鑄造泵較為理想的替代性產品。

1某型離心泵的設計及特點

該離心泵采用沖壓焊接成型工藝，適用于低比轉速、小流量、高揚程的離心泵制造。蝸殼式沖壓焊接離心泵制造工藝涉及模具、熱處理、焊接、壓力加工等不同專業，制造難度相對較高，而低比轉速離心泵的水力設計長期以來也一直是技術人員力圖攻克的難題，無論是采用無過載設計法還是加大流量設計法，都不能對偏工況運行的問題進行有效解決。鑄造泵如此，國外的沖壓泵也未能幸免。偏工況運行現象的產生原因主要是大部分設計方法均屬于“理想流體”設計方式，未能對粘性效應給予應有的關注，而沖壓焊接離心泵的葉片設計更薄、流道更為光滑，因此粘性效應非常突出。

由于沖壓焊接離心泵具有葉片設計更薄、流道更為光滑的特點，因此該廠技術人員在對以往工程實踐經驗以及國內外理論研究成果進行歸納和總結的基礎上，對以往“理想流體”設計方式中存在的不足之處進行了優化和改善，提出將“理想流體”作為參照量，將粘性邊界作為動邊界條件的粘性流水力設計方法。同時，結合沖壓焊接離心泵的內粘性流的差異性特征，分別構建了壓水室、葉輪、泵吸入口三組粘性流方程組，并對粘性流速度場、過流通道畸變值進行分別計算，隨后以計算結果為依據，對泵的流道、葉型進行設計。通過在低比轉速沖壓焊接離心泵設計工作中引進此種設計模式，能夠使以往長期存在且較難消除的低比轉速離心泵偏工況運行問題得到有效解決，使泵的汽蝕性能以及泵的運行效率得到進一步改善。在完成適用于沖壓焊接離心泵的粘性流設計方法以及數學物理模型的構建后，通過粘性流畸變方程式、粘性流輸送方程式構建粘性流運動方程組：

V1-V2=K

V12-Vc2=K2

K=（2gh）

其中，V1代表粘性邊界層水流運動畸變速度，m/s；V2代表粘性流體運動速度，m/s；…；Vc代表“理想流體”水流運動，m/s；單位速度，m/s；K代表粘滯特性系數，m/s；h代表粘性邊界層產生的附加水力損失，m/s。

一般來說，粘性效應與比轉速之間為反比關系，也就是說，如果想要獲取更高的輸送速度，就必須要為其提供更多的能量。

對于上述粘性邊界層即便方程組，有以下三個問題需要進行重點說明：①粘性液體的速度場在考慮、不考慮邊界層的前提下往往存在著巨大的差異。一般情況下，粘性的存在會使水流運動受到一定程度的阻礙，因此其速度小于清水流速。但是在引入粘性邊界層后，其實際速度卻大于清水流速，究其原因，主要是速度場和過流通道畸變的影響，二者同時發生且缺一不可。②考慮到N-S方程復雜度的問題，將“理想流體”作為參照量，以現有研究成果作為基礎，通過對比的方式來修正粘滯力以及粘性邊界層。③方程組中的是“理想流體”的一種流動狀況，由于對其的計算方式已經相當成熟，所以在計算過程中可以將其視為已知參照量，由此可見，方程組是封閉且可求解的。

泵的變形產品種類繁多，在以往大多采用相似率，即===，切割葉輪來完成。之所以泵的性能會在粘性情況下出現迅速下降的問題，原因是泵吸入口的粘性過高，無法實現順利抽吸，必須通過增加進口環量的方式加以解決；同時，出口甩不出去的結果就是導致脫流，必須通過降低出口環量的方式加以解決。所以在分配葉型速度環量的過程中，必須要重新對其進行分配，如圖1所示。

隨后，可以通過以下公式進行計算：

x1tgβ'2=（-x1）tgβ\"1

x2tgβ'2=（-x2）tgβ1

Δx=x1-x2

DC=（-2Δx）

2該型沖壓焊接離心泵的主要成果

在研制過程中，工作人員取得了一系列技術突破，并形成了很多重要的研究成果，化工行業的實際運行結果表明，該型離心泵平均效率提高5%~8%，高效節能的特征非常顯著，制造所需材料僅為同類產品的25%，具有良好的社會和經濟效益。下面，我們對各項研究成果中比較突出的部分進行簡單的介紹和說明。

①以沖壓焊接離心泵的實際情況為依據，構建了以無粘設計為參照量，以粘性為動邊界條件，適用于高粘性、低比轉速的沖壓焊接離心泵用三元流水力設計方式。

②創造性的構建了能夠自動伸合、荷花瓣式的組合模具，使粘性流設計對于流道和葉型的具體要求能夠得到真正實現，在為低比轉速泵水利性能的保障提供堅實的技術支持的同時，也讓長期以來未能得到有效處理的偏工況問題得到最大程度的解決。

③構建了粘性流條件下葉片進出口環量的分配方程，創造性的提出了一套粘性流相似設計方法，改變了常規的切削葉輪相似準則。通過新方法，只需對葉片的進、出口角進行調整，就能夠完成泵的變形產品設計，在降低技術人員工作量的同時使工作效率得到進一步的提升。

④采用共用式泵殼，使管理費用、模具費用得到最大程度的壓縮，同時，也讓通用化生產效率的進一步提升成為可能。

⑤泵殼出口彎頸采用不規則橢圓水平連接，為動能回收以及離心泵的加工制造提供更多便利。

3結語

傳統的低比轉數離心泵在設計過程中大多會采用相似換算法和速度系數法，不過由于這兩種方法均建立在流體力學中相似理論的基礎上，因此離不開性能較好的離心泵統計資料的大力支持。結合不同比轉數泵的設計系數曲線，技術人員可以在設計過程中選擇更加理想的速度系數對泵的幾何尺寸進行計算，不過相當一部分參數的選擇有一定的范圍限制，很多時候都無法獲取最佳值。尤其是對于低比轉數化工離心泵而言，泵殼的結構設計非常關鍵，按照傳統的參數取值范圍可能并不適用。所以，在參考以往研究成果和設計方式的基礎上，開展泵的內部流動分析和優化才是提高和改進泵性能的有效手段。就目前的實際情況來看，國內基于內部流動分析的離心泵設計或優化工作已經取得了很多令人矚目的成果，但大多只針對葉輪一項，很少涉及流道以及泵殼，而本文涉及的沖壓焊接離心泵則對這些問題進行了兼顧，并取得了令人滿意的應用成果。可以看出，綜合考慮各個過流部件并對其進行優化，對于提升泵的性能具有非常關鍵和積極的作用，希望文中所述的設計理念和方法能夠為相關工作的開展提供思路上的參考和借鑒。

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