HDM型臥式水平中開多級泵的優化設計與分析

楊德旭

HDM型臥式水平中開多級泵的優化設計與分析

楊德旭1，2

（1.蘭州水泵總廠蘭州理工大學泵工程技術中心，甘肅蘭州730000；2.甘肅省流體機械（泵）節能工程實驗室，甘肅蘭州730000）

目前國內體積最大的大流量、高揚程水平中開多級式石油化工流程泵，是吸取國內外先進技術獨立研發的新一代大流量、高揚程離心泵。通過傳統經驗公式計算與先進的數值模擬法相結合，利用Proe三維建模進行干涉檢查，及CFD分析軟件對內部流場進行優化設計。殼體級間過渡流道的兩支路采用180°對稱分布，并設計為雙蝸殼結構，使得結構新穎合理，外形美觀。殼體口環及中間襯套采用軸向剖分結構，解決了零件的更換與維修問題。通過真機性能試驗數據表明，其不僅高效區寬、效率高、汽蝕性能好，而且具有運行平穩、工作可靠等多項明顯的特點，達到了預期的設計目標，可完全替代國外進口產品。

石油化工泵；多級離心泵；流場分析；性能驗證

0　引言

隨著管道石油產品運輸業的發展，BB3系列中開多級重載輸油泵作為管道石油產品運輸的核心設備越來越受到用戶的青睞。現國內多數管道線上的設備為進口設備，BB3系列中開多級重載輸油泵是近幾年我國泵行業國產化的重要產品，國內泵行業經過多年的發展，水力性能設計在各種設計、模擬軟件及測繪軟件的支持下已經逐漸滿足設計需求。

本論述敘述的是一臺為內蒙伊泰化工公司120萬噸/年精細化學品項目設計制造的大流量、高揚程，能承壓10MPa的臥式中開式多級石油化工流程泵，在吸取國外同類泵如FLOWSERVE、SULZER等先進技術的同時，優化創新，并嚴格按照國際API標準進行設計，通過設計、制造、性能試驗，保證其性能參數達標。

1　總體方案及特點

1.1設計參數

流量Q=960m3/h，揚程H=400m，汽蝕余量NPSHr≤4.2m，效率≥80%，配套電機功率Pn=2000kW，輸送介質為105℃熱鉀堿溶液。在考慮泵軸向與徑向尺寸的同時，考慮到泵汽蝕余量較低，故轉速定為1450r/min，級數為5級，單級揚程80m。

1.2技術方案的確定

HDM型泵殼選用S30403鑄鋼件，強度高，耐腐蝕性強、焊接性能好。殼體采用水平中開軸向剖分式結構，吸入口與吐出口均位于下泵體兩側，可以很好地傳遞和吸收來自管線的力和力矩；葉輪選用17-4PH，葉輪與軸過盈配合，為保證運轉可靠性，增加鍵連接。逐個葉輪采用分半卡環單獨固定，充分利用運轉時葉輪所承受的軸向力，保證葉輪的軸向定位，以此代替傳統的軸套定位方式，這樣增大了軸徑，提高了軸的剛度。首級葉輪為雙吸結構，以此提高泵的抗汽蝕性能，次級葉輪均為單吸結構，葉輪布置采用背靠背自平衡式結構，有效平衡軸向力，剩余軸向力通過推力軸承平衡，徑向力由兩端徑向五塊可傾瓦支撐，提高了軸承的使用壽命和泵的可靠性；泵軸選用17-4PH，軸設計成階梯軸并且嚴格控制每一級葉輪處的軸徑公差，與葉輪配對加工，保證了每一級葉輪與軸的過盈量在很小的公差帶內，方便葉輪的拆裝檢修。為減小轉子的徑向撓度，各級葉輪鍵槽沿軸向錯開180°布置，轉子部件按G1.0做動平衡試驗，確保泵運行平穩，振動噪音小。上下殼體中開法蘭面設計成網狀紋理，通過中開面加工的網狀紋理讓中開面上的紋理擠壓形成相互接觸的面，并加聚四氟乙烯墊從而使其達到密封的作用，同時中開面螺栓選用大尺寸高強度42CrMo螺栓，且無規則布置，以增加表面摩擦系數，減小密封墊發生蠕動的可能；軸封選用雙端面集裝式機械密封并采用PLAN32+ 53B沖洗、冷卻方式，從而提高機械密封的可靠性，確保運行過程中被輸送介質的零泄漏。泵整體結構緊湊、合理（見圖1所示）。

圖1　HDM型泵結構圖

2　設計計算及結構優化

根據國內外技術與經驗，葉輪進出口面積比在1.1～1.4，屬高效范圍。另外對參數進行適當調整，將葉輪比轉速調至90～180的高效區進行設計，盡量減小葉輪入口直徑，減小液流在大直徑上撞擊的水力損失，同時縮小葉輪口環直徑，降低口環的泄漏量，提高容積效率。葉片進口采用較大沖角，增大葉片過流面積，使流道充滿液體，工作面不產生脫流區。增大葉輪前蓋板曲率半徑，減小旋渦的產生，并使葉片輪轂側前伸，為進口前蓋板側液體增加旋轉分量，減小相對速度，以提高泵的抗汽蝕性能。采用PROE軟件三維建模，采用計算流體力學CFD技術對流道及葉輪進行流場分析、優化設計（見圖2、3所示），優化后再進行試驗驗證，從而簡化縮短研發周期，保證一次試制成功。

目前國內BB3型泵水力模型主要有兩類：一是前蘇聯水力模型發展而來的，其特點是級間各吸入室為半螺旋型吸入室，過渡流道為單流道單蝸殼，其徑向力主要依靠各級流道交錯形成一定的相位來平衡；二是20世紀八十年代，從意大利帕馬公司引進的水力模型，其特點主要是級間各吸入室為環形吸入室。本泵設計是級間各吸入室采用螺旋形吸入室，相比于國內流行的半螺旋形和環形吸入室，螺旋形吸入室具有吸入性能更好、流速穩定均勻的優點。級間過渡流道的兩支路采用180°對稱分布，并設計為雙蝸殼結構（見圖4所示），以平衡徑向力，更有利于減輕泵的振動，提高泵在大流量工況下運行的穩定性，可以大大減少由于徑向力引起的軸撓度和軸承載荷。泵殼在結構設計上充分考慮了加工裝配工藝性及輸送介質特性，平衡水管均采用法蘭連接，以防止帶有結晶特性的介質結晶堵塞平衡水管。泵體口環處均設計為相同直徑，這樣大大減小了鏜孔的工藝難點。泵體中開面采用厚壁式結構，可以提高密封的可靠性。

圖2　葉輪速度云圖

圖3　葉輪壓力云圖

圖4　殼體流道布置圖

為保證泵零件材料的耐磨、耐咬合，葉輪口環、殼體口環、中間襯套等摩擦副配合面或受力面需要硬度較高，在葉輪密封環、級間軸套等外圈堆焊硬質合金Stellite6，以提高其耐磨性及耐腐蝕性，保證了兩個摩擦副耐磨表面有足夠的硬度差。殼體口環、中間襯套、卸壓套等零件采用軸向剖分結構，方便易磨損零件的更換和檢修，并設置防轉銷。定子與轉子的運轉間隙在完全考慮了抽送介質的性質、材料的膨脹性和咬合特性以及容積效率的基礎上盡可能加大設計，間隙控制在0.2～0.3mm，使整個轉子在運轉過程中實現良好的彈性支撐。

3　試驗結果分析

在設計一種全新結構產品時，通過經驗公式以及仿真軟件計算，使設計的殼體在安全余量范圍之內且安全余量系數不至于過大。考慮到泵體流道較復雜，以致水力損失較大，故在CFD模擬的基礎上，對葉輪外徑作適當加大，試驗時揚程較設計值高出23m，汽蝕余量僅為2.88m，達到了產品預定的性能要求，性能參數見表1。機組在連續運轉6h后測得，軸承最高溫度為32.4℃，最大振動為2.4mm/s，噪音不超過85dB，均滿足泵的性能使用要求。

表1　產品性能參數

4　結束語

通過結構改進與試驗驗證，該型泵是在吸取國外先進技術的同時，進行了優化創新。設計階段利用PROE、CFD、ANSYS等軟件進行理論驗證和校核，由此縮短了研發周期，提高了設計效率，使水力及結構設計更加合理，效果更突出，使產品試驗值更接近理論值，從而提高了設計質量，降低了試制成本。

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TG659

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.009

2016-6-15

楊德旭（1978-），男，漢族，甘肅皋蘭人，大學本科，工程師，主要研究方向：水力機械及優化設計。