對復合葉輪高速離心泵的結構設計探討

許浩浩 陳通勵 韓安達 李德斌 陳秀

浙江天德泵業有限公司 浙江溫州 325804

復合葉輪高速離心泵也簡稱為高速泵，通過離心原理作業，屬工業生產活動中的常用設備之一。該設備的特點在于利用增速箱發揮復合葉輪作用，較普通離心泵更具轉速優勢，提升葉輪外沿的流體線速度和揚程。嘗試實現復合葉輪高速離心泵，要求對其結構進行有效設計，也客觀要求給出具有實踐價值的方法。

1 復合葉輪高速離心泵的結構設計

1.1 核心結構設計

核心結構設計牽涉到增速裝置、過流部分、密閉性和軸向平衡力等方面。

增速裝置設計上，要求采用具有理想嚙合效果的齒輪進行傳動，如果設備作業區域對作業穩定性要求較高，宜采用斜齒輪；作業區域對軸向力控制的要求較高，宜采用直齒輪增速；運行間隔較長或作業壓力較小的區域，可采用同步齒輪嘗試增速。材料方面，復合葉輪高速離心泵作業時轉速極快（多超過5000r/min），應考慮以耐磨的復合材料和剛性條件理想的金屬材料為主。過流部分的設計，原則上要求首先考慮比轉速參數，比轉速達到15 或15 以上，應優先考慮應用閉式葉輪，比轉速未達到15，則選用開式葉輪。在離心泵作業過程中，汽蝕影響不容忽視，為予以應對，可對離心輪部位進行優化，設計誘導輪，并增設導葉。揚程參數的提升，則應考慮運用出口角偏大的葉輪取代小出口角葉輪，同時確保葉輪葉片大小相間。

密閉性方面，建議采用多彈簧機械密封設計思路，并保證機械部分可耐受機械振動和汽蝕破壞，減少靜環面寬度參數有助于輔助應對熱破壞。對于工作壓力較大的高速度，可考慮設計獨立冷卻系統，以水冷（自沖洗）模式為宜，該設計技術上可行性高且適用性廣。軸向平衡力的設計，重點考慮高速泵工作構成中的自調節，采用獨立冷卻系統的情況下，冷卻設備與高速泵同步作業，會對高速泵的工作產生影響，造成機械穩定性、揚程下降。為予以應對，要求在復合葉輪處增設平衡孔，平衡孔均勻分布于長短葉片處，避免過于密集影響葉片整體性。采用了斜齒輪的高速泵，要求保證斜齒輪軸向力，與高速泵作業過程中產生的軸向力可互相抵消，方向上相反[1]。

1.2 輔助部分設計

復合葉輪高速離心泵輔助部分結構設計牽涉到三個方面，即支承系統、潤滑部分、數字化部分。

支承系統設計上，考慮高速泵的作業特點，如果設備轉速達到每分鐘10000 次以上，應借助徑向軸承、軸向止推軸承進行支承；如果設備轉速在每分鐘10000 次以下，應借助向心推力滾動軸承進行支承。潤滑設計原則上強調壓力和容量的兼顧，以高品質潤滑油為基礎。以保證油路暢通為著眼點，又需要考慮潤滑油的過濾冷卻[2]。在離心泵作業的過程中，須嚴格避免齒輪之間出現干摩擦。設計上，應考慮后齒輪油泵作用優化，在該齒輪啟動的同時，實現吸油作業同步化，以油泵為潤滑油提供壓力、過濾、冷卻等服務，確保潤滑油可借助油孔進入高速泵各工作部分。高速泵的支承結構中，軸承作用突出，該部分的潤滑也依賴油孔，設計上強調物理形式有效連接，并以齒輪作業的噴濺作用進行潤滑輔助。

數字化部分在復合葉輪高速離心泵中應用廣泛，作用包括參數監控、實時信息呈現、遠程控制等，設計上采用有線通信模式，利用分布于高速泵各處的傳感器，對高速泵作業態勢進行收集，以通信線路進行信息傳輸，以轉換裝置進行數字化轉化，使傳感器信息被加工成可讀取的計算機語言，最后由數字化顯示器給予呈現。設計上重視組織框架穩定、拓撲結構完整，借助嵌入技術實現功能層面的運用，或以集成技術建立遠程控制模式。

1.3 主要參數計算

在上述設計原則、方法要求下，需要就三個方面參數進行具體計算，一是工作轉速穩定性，是否可始終保持轉速維持在額定值波動空間內。二是汽蝕破壞問題分析，裝置汽蝕比轉速，應在誘導輪的汽蝕比轉速的0．74 倍左右。三是高速泵的比轉速波動范圍應在40-70 之間。落實到設計活動中，上述參數服務于高速泵效率提升，考慮各類固定因素影響，可獲取高速泵的效率計算式：

X=1/（1/AB+C/D+0．05）

其中，X 代表效率，A 代表容積效率、B 代表水力效率、C 代表摩擦功率、D 代表有效功率，0．05 為其他參數影響下的通用系數，帶有一定的可變性，但整體穩定，如老化參數、高程差異等。以提升高速泵的工作可靠性為目標，需考慮離心輪入口動壓，其計算式為：

Y=E2/2g+G2/2g

式中，Y 代表離心輪入口動壓，E 代表液流速度（取平均值）、G 代表相對速度，g 代表重力加速度（取固定值）。

2 模擬實驗

在上述設計基礎上，通過模擬實驗進行理論論證，以計算機建立對比實驗模式。1 號復合葉輪高速離心泵采用1．1、1．2、1．3 中設計思路，結構特點為后開門式。2 號復合葉輪高速離心泵采用常規設計，不對參數進行精細化計算，僅從結構上保證離心泵完整，特點為后拉式。

1 號泵參數：作業高度130m，每小時提供11 立方米水量，轉速7000r/min。

2 號泵參數：作業高度130m，每小時提供11 立方米水量，轉速7000r/min。

兩組工作參數相同。借助計算機進行平行對照實驗，發現1 號泵作業效率為51%，2 號泵作業效率為42%，這表明，不同結構設計影響復合葉輪高速離心泵的工作效率。后續工作中，需要考慮對核心結構、輔助結構設計的綜合分析，以保證離心泵具有高效作業能力[3]。

3 結語

綜上，復合葉輪高速離心泵的結構設計影響作業效率，應對各部分結構和參數進行分析。核心結構設計上，應考慮過流部分、密閉性和軸向力分析，輔助部分則要求考慮支承結構、數字化設備功能。以工作要求為基礎，做詳細參數計算，保證復合葉輪高速離心泵的結構設計效果。模擬實驗證明了上述理論價值。