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國內外皮托泵技術(shù)進(jìn)展綜述

來(lái)源:泵友圈作者:王波 魏宗勝,中國成達工程有限公司

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北京市京師律師事務(wù)所 王璠律師/公司法律顧問(wèn)

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作者:王波 魏宗勝,中國成達工程有限公司


摘要:皮托泵在小流量超高揚程領(lǐng)域的優(yōu)勢明顯。為什么我國某廠(chǎng)進(jìn)口了落后旋噴泵,并誤導甘工大旋噴泵葉輪的研究走了彎路?是因為其專(zhuān)利名稱(chēng)并不寫(xiě)“旋噴泵或旋殼泵"膊升。

簡(jiǎn)述了皮托泵的發(fā)展歷史、結構與工作原理善延。簡(jiǎn)介了處于皮托泵世界領(lǐng)先水平的研發(fā)公司和制造商。從葉輪和集流管揚程的正確分配,葉輪、集流管和轉鼓的水力設計四個(gè)方面,介紹了國內外皮托泵水力性能的進(jìn)展情況墨技。

從集流管徑向力的平衡寇韩、轉鼓的軸向力,軸承型式與組合兩方面,指出了國內外皮托泵在機械結構上的差距。提出了為發(fā)揮皮托泵在超高揚程領(lǐng)域的優(yōu)勢,急待解決的技術(shù)難題:中流量和大流量時(shí)的抗汽蝕性能很差;充滿(mǎn)液體的懸臂轉鼓在高轉速下運行的故障率較高祈很。

關(guān)鍵詞:皮托泵居然;旋噴泵;發(fā)展歷史;工作原理;水力設計隶答;機械結構糯钙;技術(shù)難題



0. 前言   



在小流量高揚程極低比轉速領(lǐng)域,皮托泵(旋噴泵或旋殼泵)的性能優(yōu)于勝達因高速泵,更優(yōu)于往復泵,揚程愈高,優(yōu)勢愈突出。甘工大是我國培養水機專(zhuān)業(yè)人材的搖籃“水機專(zhuān)業(yè)黃浦軍械Ы剩”,從1993年開(kāi)始,在我國最早進(jìn)行了旋噴泵的研究,為什么會(huì )受到某廠(chǎng)進(jìn)口落后旋噴泵的誤導,走了多年彎路妻锉?[1]


為什么研究進(jìn)展緩慢腌松?與美國皮托泵的性能相比差距大?本文用實(shí)例進(jìn)行了分析鹉某,找出了原因。直到2005年,旋噴泵核心件葉輪仍采用傳統小流量離心泵的長(cháng)短葉片章侮,2008年"旋噴泵研究開(kāi)發(fā)現狀與展望"綜述性文章,無(wú)葉輪內容幌绍,可能意識到以前的觀(guān)點(diǎn)不妥[2-4],轉鼓部分也未涉及。


其實(shí),早在五十多年前,美國L.K.William為了解決皮托泵流道的擴散度大庵熟,會(huì )產(chǎn)生脫流和二次回流,降低泵效率,反向思維,將小流量離心泵的葉片部分改作為液體的流道颅挟,其余金屬部分作為葉片,成為出口角為近90度的12條幅射狀等斷面流道,這種巧妙的構思于1965.4.12申請的美國專(zhuān)利在1968.5.21被授權氓辣,名稱(chēng)為“Centrifugal pump",公開(kāi)了皮托泵葉輪和集流管的創(chuàng )新技術(shù)和15幅附圖,奠定了當今皮托泵技術(shù)的基礎[5]茧嘿。


之所以我國高校博導和研究生論文的參考文獻中,很少有旋噴泵國外專(zhuān)利,源于專(zhuān)利名稱(chēng)并不寫(xiě)“旋噴泵或旋殼泵"育勺,2019.5.7皮托泵最新的美國專(zhuān)利名稱(chēng)為“Pressure reducing rotor assembly for a pump",當然檢索不到有價(jià)值的國外旋噴泵專(zhuān)利文獻份肠。


另外,我國進(jìn)口正宗皮托泵廠(chǎng)商的完工資料和工業(yè)運行情況苫骡,高校和制造廠(chǎng)也不太了解,文章和研究生論文上旋噴泵裝配圖與實(shí)際產(chǎn)品有很大區別,十多年不變,也造成轉鼓CFD數值模擬基礎的轉鼓結構圖失誤[14]。由于國外皮托管泵資料缺乏,造成只能研制揚程不高的低端品種,效率差距更大生香,結構也不太合理。


撰寫(xiě)本文的目的是鹃锈,針對我國旋噴泵研究和制造權威單位浆卧,在葉輪睦绍、集流管和轉鼓的水力設計以及機械設計方面存在的缺陷搜栽,奉獻十多年來(lái)進(jìn)口美國皮托泵工作中收集的資料和工程經(jīng)驗,希望對我國旋噴泵的研究站素、產(chǎn)品設計和工業(yè)應用有所啟迪,以便盡快縮小與美國Envirotech泵公司還存在的很大差距。


1. 皮托泵的發(fā)展歷史、結構與工作原理簡(jiǎn)述



1-1 皮托泵誕生的回顧


皮托管是由法國水利工程師亨利.皮托(Henri.Pitot)于1732年發(fā)明的,用于測量河水流速。1923年,F.W.Krogh借鑒皮托管將流速轉化為壓力的原理,首創(chuàng )了簡(jiǎn)易的皮托泵河泳。早在1938年,應二戰火箭燃料泵的急需,德國和英國開(kāi)始對小流量高揚程泵進(jìn)行研制老玛,因多級離心泵的級數太多, 可靠性差脑播,而往復泵高壓下壓力脈動(dòng)強烈,且易損件又多,均被否定。


研制人員當時(shí)提出了兩種全新構思的離心泵[6]吉执。Barske 博士首先提出了高速、開(kāi)式葉輪、部分流型離心泵方案,避免了以前只是簡(jiǎn)單將常規離心泵高速化出現的種種故障。另一全新構思是將葉輪與泵殼聯(lián)為一體同步回轉,當時(shí)稱(chēng)為旋轉殼體泵(Rotating Casing pump) 的單級離心泵。


如所周知枚进,離心泵的基本原理是葉輪回轉獲得動(dòng)能,再將動(dòng)能轉化為壓力能。小流量超高揚程離心泵的效率之所以低,關(guān)鍵是葉輪的圓盤(pán)摩擦損失太大,此項損失與葉輪直徑的五次方成正比,與轉速的三次方成正比,如果讓葉輪與泵殼同步回轉,液體在獲得動(dòng)能的過(guò)程中的圓盤(pán)摩擦損失就幾乎為零。


F.W.Krogh首創(chuàng )的簡(jiǎn)易皮托泵方案衙到,采用集流管將動(dòng)能轉化為壓力能。但研制成動(dòng)的這種全新概念離心泵的流量小于1.1m3/h,且效率低于高速部分流泵,因此未被軍方接受。上世紀六十年代,由于理論研究和制造技術(shù)有了突破,旋殼泵又死灰復燃,美國開(kāi)始研制這種全新概念離心泵,并改稱(chēng)為皮托泵(Pitot pump)。出于技術(shù)保密的需要,皮托泵的美國專(zhuān)利名稱(chēng)用離心泵。


1-2   皮托泵的結構與工作原理   


如圖1美國Kobe公司皮托泵的剖面圖所示,轉子部件兩端支撐的結構是早期皮托泵的基本形式,這是因為轉子部件重量加上轉鼓和葉輪充端液體后總重量很重,泵兩端支撐的皮托泵運轉平穩。


圖1 美國Kobe公司轉鼓和葉輪兩端支撐的皮托泵剖面圖


從圖1看出菊碟,泵右端的機械密封與滾動(dòng)軸承之間的隔離密封一旦失效,機械密封的泄漏液進(jìn)入軸承,軸承很快損壞,整臺泵必須大修。


上世紀七十年代后期悉枝,美國Envirotech Pumpsystems公司發(fā)明的皮托泵改成如圖2所示的轉鼓和葉輪懸臂的結構,機械密封在轉鼓的背面对蒲,即使機械密封出現泄漏米者,從轉鼓前面的排液口引出,成為目前國內外旋噴泵(皮托泵)的通用結構形式鬓催。

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圖2 美國Envirotech Pumpsystems公司轉鼓和葉輪懸臂的皮托泵剖面圖


皮托泵的三個(gè)核心件是轉鼓蓋(葉輪)、集流管、轉鼓沼绞。液體從進(jìn)液管進(jìn)入葉輪锨耸,因葉輪高速回轉獲得動(dòng)能和揚程廉涕,高速液體進(jìn)入轉鼓的外圍,部分高速液體從位于轉鼓最外圍處集流管的入口進(jìn)入妓笙。


因集流管的橫截面積逐步擴大,液體流速逐步降低,從而將液體的動(dòng)能轉化為揚程谦疾,最后從出液管排除高壓液體。由于轉鼓蓋與轉鼓是聯(lián)為一體同步回轉,因此,液體在葉輪中獲得動(dòng)能的過(guò)程中,無(wú)圓盤(pán)摩擦損失矩沥。集流管的外部形狀為翼型斷面,使繞流阻力最小。


2. 皮托泵世界領(lǐng)先水平的研發(fā)公司和制造商的概況



掌握這些必要的技術(shù)經(jīng)濟信息,避免出現用外匯進(jìn)口落后的旋噴泵,也避免了旋噴泵研究單位受到進(jìn)口的落后旋噴泵結構的誤導而走了彎路拘荡。


1991年鼻肉,我公司參加工程設計勞務(wù)出口的高工帶回了美國皮托泵資料,我們對其實(shí)際產(chǎn)品的結構和技術(shù)數據有了進(jìn)一步了解,并找到了搜索皮托泵資料的渠道贮尖。


通過(guò)對國外泵會(huì )議皮托泵論文和幾十項美國專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)的分析材泄,認識到在小流量高揚程工況,皮托泵與高速離心泵或多級離心泵相比,優(yōu)勢明顯。于是我公司在一些工程項目上逐步采用了美國Envirotech公司不同型號和規格的一批皮托泵侯谁,后來(lái)證實(shí)操壤,該公司的皮托管泵產(chǎn)品處于皮托泵的世界領(lǐng)先水平。


從美國專(zhuān)利局網(wǎng)站上獲知麸祷,上世紀八十年代初期以前,世界上皮托泵專(zhuān)利權人主要是美國Kobe公司,七十年代末開(kāi)始,美國Envirotech 公司的專(zhuān)利產(chǎn)品很快壟斷了皮托泵市場(chǎng)。


一直到去年皮托泵的專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)上,發(fā)明人是Envirotech Pumpsystems公司的Bryce Neilson,專(zhuān)利權人為Envirotech Pumpsystems, Inc.毅瘩。該公司位于美國猶他州的首府著(zhù)名的鹽湖城(Salt Lake City, UT) ,專(zhuān)注于皮托泵的研究和制造。


據百度網(wǎng)上資料介紹,德國、荷蘭STERLIN公司和日本HONDA KIKO公司的皮托泵產(chǎn)品褐搜,均屬于仿制Envirotech Pumpsystems公司專(zhuān)利已到期的產(chǎn)品,而新開(kāi)發(fā)已進(jìn)入市場(chǎng)的新系列產(chǎn)品受專(zhuān)利保護,尚未發(fā)現被仿制。


英國威爾集團公司看好該公司研制皮托泵的實(shí)力,收購了該公司以后,在鹽湖城注冊了威爾特種泵公司 (Weir Specialty Pumps,以下縮寫(xiě)為WSP公司),負責投標和簽合同等商務(wù)工作备洽,研發(fā)村秒、產(chǎn)品設計和制造仍由Envirotech Pumpsystems公司承擔。現用一項工程實(shí)例 (重慶建峰化工公司日產(chǎn)1500噸合成氨裝置CO2汽提塔回流泵評標) 來(lái)說(shuō)明。


表1. 美國皮托泵與勝達因高速泵的技術(shù)經(jīng)濟對比表(2007年評標技術(shù)數據)[7]

(流量27.4 m3/h,揚程411m惊间,介質(zhì)比重0.992辟焚,材料316SS)

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注:

(1).按電費0.48元/度,年運行0.8萬(wàn)小時(shí)。皮托泵年節電費:(61.3-4,7.6)KW×0.8萬(wàn)小時(shí)/年×0.48元/度= 5.3萬(wàn)元/年

(2).開(kāi)標價(jià)為CIF上海港,已含開(kāi)車(chē)備件費、兩年備件費患怀、關(guān)稅10%、增值稅17%褂呕。


表1的工程實(shí)例說(shuō)明:

(a) 針對上表的流量和揚程,皮托泵技術(shù)性能明顯優(yōu)于高速泵垛浸。

(b) 兩臺美國皮托泵的開(kāi)標價(jià)比日本高速泵的開(kāi)標價(jià)低72萬(wàn)人民幣。


表2.   皮托泵與高速泵的性能對比[7]

從表2可見(jiàn),在小流量和超低比轉數時(shí)棍弄,皮托泵的效率比高速泵高得多,達到相同參數大年,皮托泵的轉速低得多,皮托泵不加誘導輪就能達到較低的必需汽蝕余量。


此外,皮托泵的最小連續流量很小,可減少泵最小流量保護回流的功率損失。但在大流量和揚程不高時(shí),皮托泵的效率比高速泵低, 但中流量和大流量時(shí)抗汽蝕性能差,NPSHr大(表中未寫(xiě)出,本文后面用性能曲線(xiàn)圖21來(lái)說(shuō)明)肴齿。


3. 國內外皮托泵水力性能的進(jìn)展情況

 


3-1 葉輪和集流管揚程的分配,是皮托泵水力設計的重要問(wèn)題


葉輪、集流管和轉鼓是皮托泵的三個(gè)核心件,國內發(fā)表的旋噴泵研究論文凫墩,大多是針對一個(gè)或兩個(gè)件续衣,旋噴泵設計條件的揚程如何正確分配到葉輪和集流管上惨侍,國內發(fā)表的論文中還少見(jiàn),還有的論文和中國專(zhuān)利提出了在轉鼓內腔設置葉片,此觀(guān)點(diǎn)不可取查库。


F.Korkowski和L.Glassburn. 2005年在加拿大卡爾加里市召開(kāi)的國際泵會(huì )議上,演示了”小流量高揚程泵的選擇”P(pán)PT的43/54頁(yè)面,介紹了WSP公司皮托泵工作原理圖唠叛,提出了葉輪和集流管各提供泵揚程一半的揚程分配原則肺疾。此揚程的分配原則源于美國WSP公司泵設計與研發(fā)中心主任T.L.Angle等三人在第22屆國際泵會(huì )議上發(fā)表的”一種新穎的高壓泵系統”論文的”附錄A--皮托泵的水力原理”凭迹。

 圖3   美國WSP公司皮托泵的工作原理圖


3-2   葉輪的水力設計


“旋轉噴射泵主要過(guò)流部件設計研究”文章[3]引用傳統小流量小流量心泵的設計方法佩憾,因小流量工況下流道擴散,使流道內產(chǎn)生附面層分離而引起的流動(dòng)失速膊祥;二次流是小流量工況下葉輪內的軸向旋渦作用比較大,使葉輪工作面权考、背面相對速度相差大而引起的液體倒流。


由于脫流和二次流,泵的水力損失增大,工作性能不穩定,揚程和效率都大大降低呈壤。因此,在葉輪流道容易產(chǎn)生回流和脫流的部位增設短葉片斑匪,則可改善葉輪流道內的速度分布,有效阻止附面層分離和脫流產(chǎn)生,圖4為長(cháng)拂苹、短葉片均為后彎的S形復合葉輪。


此設計原則來(lái)源于1999年實(shí)測某廠(chǎng)進(jìn)口國外旋噴泵(Q=12.5m3/h苦杯、H=250m、n=4500r/min)的葉輪(8長(cháng)+ 8短葉片)。圖4~7為中國旋噴泵和美國皮托泵專(zhuān)利的各兩張葉輪剖面圖库车。


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圖4~7 中國旋噴泵和美國皮托泵專(zhuān)利的各兩張葉輪剖面圖


從后三張葉輪剖面圖可以看出,是將傳統小流量離心泵的葉片部分改作為液體的流道,其余金屬部分作為葉片,成為出角為80~90度的幅射狀等斷面流道明弊,完全避免了脫流和二次流,制造也更容易浓盆。


3-3 集流管的水力設計


國內對集流管的研究論文很多,需要補充集流管各斷面的橫截面積如何擴大?如何減輕高速液流進(jìn)入集流管的第一個(gè)90度轉彎處的渦流和對面的脫流甘改、回流,以便使速度能轉化為壓力能的效率高,需要開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的設計計算程序,這是提高旋噴泵效率的關(guān)鍵圃行,也是縮小我國旋噴泵效率和WSP公司差距的核心工作绵川。


蘭州理工大為四川機械設計研究院研制的一臺Q = 22 m3/h遥昧、H = 240 m的旋噴泵,泵的效率高達42%[4]。與多級離心泵和勝達因高速泵相比,效率42%的確是高水平蓬甩。但是WSP公司2002年的2200-S600型產(chǎn)品的性能曲線(xiàn)圖, 相同Q和H的效率從42%提高到65%,高了23個(gè)百分點(diǎn),可見(jiàn)我國研制的旋噴泵還有相當大的發(fā)展空間淆银,還需努力[4]旦委。


圖8   WSP公司2200-S600型皮托泵產(chǎn)品的性能曲線(xiàn)圖


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圖9   WSP公司2200-S375型皮托泵產(chǎn)品的性能曲線(xiàn)圖


請注意圖8~9性能曲線(xiàn)圖的如下五條技術(shù)信息:


(1).皮托泵屬于離心泵砸琅,符合離心泵的相似定律灶向,即流量與轉速的一次方成正比、揚程與轉速的平方成正比施绎、軸功率與轉速的立方成正比;


(2).皮托泵的最小連續流量Qmin很小,最小連續流量線(xiàn)是斜線(xiàn),轉速降低,Qmin更性植俊;


(3).性能曲線(xiàn)圖上提供了泵最小流量保護回路上的限流孔板的直徑;


(4).揚程曲線(xiàn)有駝峰,泵的工作點(diǎn)應在駝峰的右邊雨仁;


(5).中流量和大流量時(shí)抗汽蝕性能很差躁蛇,NPSHr大瓮恭。


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圖13的專(zhuān)利是美國制造大型壓縮機和汽輪機的知名公司Dresser (德萊賽公司)發(fā)明的,該公司可能發(fā)現了皮托泵在高揚程領(lǐng)域的市場(chǎng)前景,擬涉入此領(lǐng)域逮赋,但畢竟實(shí)際經(jīng)驗不足,在集流管進(jìn)口轉彎處加兩片分流葉片,以便消消旋渦與回流逸嘀,是脫離實(shí)際的方案冀远,因為國外皮托泵的集流管進(jìn)口內徑最小6mm,最大15mm细作,連一片分流葉片都未加衬绪。圖14的集流管專(zhuān)利膀斋,同樣失誤,未能授權。


3-4 轉鼓的水力設計


轉鼓的作用:將葉輪出口的高速液流以盡量小的揚程損失引入集流管進(jìn)口, 轉鼓并不能用于增加揚程,有論文和中國專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)采用在轉鼓內腔設置葉片的結構不可行。為減小轉鼓內腔表面的滑移損失, 轉鼓腔的內表面進(jìn)行了拋光眠寿。


WSP公司在技術(shù)交流時(shí)講過(guò)综翠,轉鼓底部有兩個(gè)大圓弧,這是因為葉輪出口排出的高速液體,只有部分進(jìn)入集流管,大部分在轉鼓內腔中循環(huán),具有與勝達因高速部分流泵相似的特點(diǎn),轉鼓內腔的型線(xiàn)如何設計历帚,對減少液體在腔內循環(huán)時(shí)的能量損失有較大關(guān)系。


蘭州理工大學(xué)劉宜教授等人”旋噴泵轉子腔的結構優(yōu)化及數值模擬計算”文章指出:國內對旋噴泵研究多數集中于泵葉輪哟绊、集流管設計及應用方面轿白,對轉子腔結構研究得很少[14],這也是國內旋噴泵效率較低的主要原因之一。(建議將"轉子"改為"轉鼓"烂完,因為"轉子"是指葉輪、轉鼓、軸泻仙、軸承等組裝在一起的轉動(dòng)部件)。


文中的"轉子腔的外緣增加凸棱"令人費解该贾,仔細研讀后才明白,作者是為了增加轉鼓腔外緣處的速度,集流管的頂部半徑略大于轉鼓腔的內半徑舆鸿,因此在轉鼓腔的圓筒內壁開(kāi)凹槽,為了不削弱轉鼓圓筒的強度,在凹槽相應位置的圓筒外壁增加凸棱贫介,但文中和轉鼓結構圖上未交待。


作者未注意到,轉鼓與葉輪是用外徑大又厚的法蘭連接蹂孽,即使加凹槽也不會(huì )削弱轉鼓的強度,轉鼓的外壁無(wú)需有凸棱。這是受到國內旋噴泵文章、研究生論文和專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)上的“旋噴泵結構簡(jiǎn)圖”上年肿,未表示出轉鼓與葉輪是用外徑大的厚法蘭連接的影響。


這張旋噴泵結構簡(jiǎn)圖十多年不變,還存在軸承型式不能用于泵進(jìn)口有壓力的工況,建議以后參照本文提供的WSP公司皮托泵實(shí)際產(chǎn)品的泵剖面圖,重新繪制“旋噴泵結構簡(jiǎn)圖”葬毫。


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圖15是參考文獻[14] CFD數值模擬所用的轉子腔的結構圖(原為圖1 )技扼,是一個(gè)平底,與圖16.WSP公司皮托泵轉鼓零件圖相比,差異很大,WSP公司轉鼓底部有兩個(gè)大圓弧添吗,葉輪內蓋板有有一個(gè)小圓弧胀糜,這是因為葉輪出口排出的高速液體,只有部分液體進(jìn)入集流管,大部分在轉鼓內腔中循環(huán)舷悲,具有勝達因高速部分流泵的特點(diǎn)蓖悠。


WSP公司在技術(shù)交流時(shí)講,轉鼓內腔的型線(xiàn)如何設計,對減少液體在腔內循環(huán)時(shí)的能量損失有較大關(guān)系速那。此結構的轉鼓如用于雙集流管辟焚,轉鼓腔的圓筒內壁不必開(kāi)凹槽,否則雙集流管裝不進(jìn)去。


CFD數值模擬技術(shù)发液,具有邊界參數調整方便、成本低廉、實(shí)驗周期很短等優(yōu)勢,被國內外廣泛采用。采用CFD技術(shù)的科研成果要有實(shí)用價(jià)值烛亦,必須有兩個(gè)步驟:


其一,在利用解析方法研究復雜的流體流動(dòng)問(wèn)題,對物理現象進(jìn)行簡(jiǎn)化處理時(shí),原始條件要正確,關(guān)鍵條件不可遺漏,抽象出來(lái)的簡(jiǎn)化模型與工程實(shí)際產(chǎn)品不可差異較大窟扑。


其二,必須有實(shí)驗驗證,此實(shí)驗條件的內容應與工業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的接近,如果CFD解析研究結果,僅僅用泵的性能試驗來(lái)驗證還不夠,如缺乏流場(chǎng)和壓力的定量分布,可能會(huì )影響其學(xué)術(shù)價(jià)值及應用效果。


流場(chǎng)信息的測量是泵氧京、水輪機等流場(chǎng)研究中的一項重要內容,采用粒子圖像測速儀(PIV, Particle Image Velocimetr),在流場(chǎng)中布撒示蹤粒子,應用現代激光測試技術(shù),可以非接觸地獲得瞬間、全流場(chǎng)的流動(dòng)信息,現已成為現代流場(chǎng)測試技術(shù)之一,并且得到了廣泛應用。


該技術(shù)對于旋噴泵轉鼓和集流管內部流場(chǎng)狀態(tài)、流速和壓力分布的研究極為有益读藤。建議借鑒國內一些高校,如大連理工大學(xué)、華北水利水電學(xué)院、西南石油大學(xué)[15]已有十年左右應用經(jīng)驗的這項新技術(shù)。

4. 國內外皮托泵在機械結構上的差距  

4-1 皮托管徑向力的平衡


國內外現有皮托泵普遍用單集流管,并且是懸臂支承鸠蚪,因為從轉鼓軸線(xiàn)到轉鼓外緣,液體壓力與轉鼓半徑的二次方成正比分布容贝,轉鼓內腔外圍的液體壓力最高,單集流管受到液體向下徑向力將下垂凹蜈,造成葉輪軸線(xiàn)處內孔偏磨,內回流量加大,降低泵效率。


中海油惠州煉油分公司“噴射泵特點(diǎn)及其在加氫裂化裝置的應用”一文[16]烛瘦,介紹了進(jìn)口威爾公司高壓注水泵的應用情況。該泵的型號為ROH S-375S(單集流管)咪夷,文中認為沒(méi)有不平衡的徑向力,主要參數:設計流量19.8 m3/h、揚程1233 m库樊、轉速5812 rpm必孤、電機功率135kW挠进。


該泵運行的初期振動(dòng)很大,用戶(hù)又將泵的混凝土基礎加深加大苹门,管道支撐進(jìn)行了加固,振動(dòng)減輕。后來(lái)幾年使用中,只要供水管道過(guò)濾器的定期清洗稍有放松,雜質(zhì)在轉子內腔的壁上逐漸積聚叛赚,振動(dòng)又超標既绕,必須拆泵每访、清洗轉子和重裝泵,維修工作量很大。


2017.5.31授權的 ”一種改進(jìn)容積效率的旋噴泵及改進(jìn)方法” 發(fā)明專(zhuān)利[17]应胎,為減少轉子腔內液體從集流管水平段穿過(guò)葉輪的間隙處的泄漏苟耻,采用迷宮密封。


但迷宮密封是用于氣體介質(zhì)轉動(dòng)機械的軸端密封症见,是在軸和固定件之間有若干環(huán)形截流間隙與膨脹空腔摹闽,氣體在迷宮中經(jīng)多次壓縮、膨脹和旋渦的熱力學(xué)效應,使氣體的壓力降低瘫碾,從而達到減少泄漏的目的,但對于體積與壓力關(guān)系很小的液體,迷宮密封的效果很有限含薄。該專(zhuān)利只是被動(dòng)地去堵漏,而并未認識到問(wèn)題的根源:


一是單集流管受到了液體向下徑向力莱腾;


二是集流管懸臂安裝。這兩個(gè)因素造成集流管徑向投影面受到液體徑向力作用后,集流管水平段的懸臂端將下垂,造成葉輪軸線(xiàn)處內孔偏磨。


江蘇大學(xué)為解決上述問(wèn)題殷感,提出了集流管兩端支承代替懸臂安裝的解決方案,申請了”一種集流管兩端采用中心支承的旋殼泵”發(fā)明專(zhuān)利[17]绿鸣,圖18是該發(fā)明專(zhuān)利申請說(shuō)明書(shū)的旋殼泵剖面圖。


該發(fā)明解決方案的失誤是,在轉鼓軸線(xiàn)處的鼓底上設置了集流管導軸承,導軸承16內側腔是一個(gè)死區,液體不流動(dòng),不能帶走滑動(dòng)軸承的摩擦熱旷桂,液體溫度上升,黏度大幅下降浪感,甚至汽化,因喪失潤滑功能,導軸承干摩擦而損壞泄涎。此發(fā)明專(zhuān)利2013.2.20申請,2017.3.29被駁回犀被。此發(fā)明專(zhuān)利也未認識到單集流管是造成葉輪中央孔單側接觸磨損的根源。


十多年來(lái),國內旋噴泵文章妓忍、研究生論文和專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)上的“旋噴泵結構簡(jiǎn)圖”上,集流管全部是單集流管。專(zhuān)利發(fā)明人和專(zhuān)利權人均為Envirotech Pumpsystems公司2019.5.7的美國專(zhuān)利采用雙集流管[9],WSP公司最新系列皮托泵全部用雙集流管扭弧。

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圖19   美國Envirotech Pumpsystems公司皮托泵剖面圖, US 10,280,925[9]


筆者仔細研究了這項皮托泵的最新美國專(zhuān)利,發(fā)現還存在如下缺陷:


(1)用雙集流管,徑向力平衡,是成功的毕骡。但集流管仍然是懸臂安裝和腔,集流管水平段的端頭與端蓋配合長(cháng)度很短(圖上用紅圓圈標出),如有制造誤差,將降低運轉穩定性;


(2)為解決現有懸臂式皮托泵的轉鼓和葉輪充滿(mǎn)液體后重量很大,用于高壓、高轉速工況時(shí),故障率高的問(wèn)題俱饿,該專(zhuān)利又回到早期皮托管泵的轉子部件為雙支撐的結構圃泊,如何嚴防兩端滾動(dòng)軸承進(jìn)液的密封結構碱涕,該專(zhuān)利未涉及夕沃。


(3)皮托管水平段的端頭與端蓋配合處,遺漏了密封泵出口壓力的O形圈,圖上的紅圓圈處。

4-2 轉鼓的軸向力,軸承型式與組合。


國內很多旋噴泵文章和研究生論文章認為,旋噴泵轉鼓中基本上無(wú)軸向力,因此一些旋噴泵專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)上泵剖面圖的軸承型式不合理品隅,現以國內旋噴泵研制最早,市場(chǎng)銷(xiāo)售量國內領(lǐng)先的四川日機的一項較新的專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)泵剖面圖為例路鹰,提出改進(jìn)建議。


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圖20   四川日機旋噴泵剖面圖此雀,實(shí)用新型CN 2476668 Y唉箩,2002.2.13. [19]


旋噴泵設計者未注意到,轉鼓所受到的軸向力高低,取決于泵的進(jìn)口壓力。圖20的缺陷是,驅動(dòng)端軸承為圓柱滾子軸承,不能承受軸向力,前軸承為深溝球軸承,承受充滿(mǎn)液體較重轉鼓的徑向力后,軸承剩余能力只能承受較小的軸向力。


WSP公司各種系列皮托泵的標準設計是芥嫉,驅動(dòng)端軸承為一對背靠背角接觸軸承,兩軸承之間有隔離環(huán),環(huán)上有孔栖偏,將潤滑油引入外側軸承,加隔離環(huán)增加了這對軸承的支承剛度。標準設計皮托泵的最高允許進(jìn)口壓力為14bar.G,WSP公司有一種獨特的軸承組合形式,見(jiàn)圖21。

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圖21   WSP公司高進(jìn)口壓力皮托泵驅動(dòng)端用四個(gè)軸承的組合形式


為了承受泵的高進(jìn)口壓力產(chǎn)生的指向驅動(dòng)端的軸向力掩悉,原來(lái)的軸承座不用改,僅在軸上多裝兩個(gè)外圈的大端向驅動(dòng)端的角接觸軸承,軸承外圈懸空秸谢,多裝的這兩個(gè)角接觸軸承只承受軸向力,這樣增加了承受軸向力的能力尝话。


這種創(chuàng )新性很突出的軸承組合形式异希,國內外罕見(jiàn),可以用在需承受高進(jìn)口壓力的其它型式泵上,如石化裝置中,高進(jìn)口壓力OH2型循環(huán)泵。圖上的”ROB“用于皮帶傳動(dòng),承受徑向力测砂。


5. 發(fā)揮皮托泵在超高揚程領(lǐng)域上的優(yōu)勢,急待解決的技術(shù)難題


5-1 中流量和大流量時(shí)的抗汽蝕性能很差


現以WSP公司ROH-D600型雙集流管皮托泵的性能曲線(xiàn)圖(圖21)為例的說(shuō)明,該型號泵最高效率點(diǎn)的參數為:流量100 m3/h、揚程1360 m、轉速6321RPM、效率61%、NPSHr=23m蹲居;流量140 m3/h時(shí)的NPSHr高達40m。可見(jiàn)庸向,皮托泵在大流量時(shí)的抗汽蝕性能很差同肆,限制了皮托泵的使用范圍。

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圖22   WSP公司ROH-D600型雙集流管皮托泵性能曲線(xiàn)圖


5-2 充滿(mǎn)液體的懸臂式轉鼓在高轉速下運行的故障率較高


因為皮托泵的轉鼓和葉輪充滿(mǎn)液體后重量很大,國內石化廠(chǎng)進(jìn)口皮托泵,只要揚程超過(guò)1000米左右巍慎,運行時(shí)振動(dòng)大,故障率高。國內有些旋噴泵的招標文件中,規定泵的轉速不得超過(guò)3000 rpm,制約了旋噴泵(皮托泵)在高揚程和超高揚程領(lǐng)域上優(yōu)勢的發(fā)揮。


目前侦索,旋噴泵(皮托泵)存在的這兩項技術(shù)難題急待解決。


6. 結束語(yǔ)



皮托泵在小流量超高揚程領(lǐng)域的優(yōu)勢明顯,美國皮托泵研制者為了技術(shù)保密,幾十年來(lái)犯南,皮托泵專(zhuān)利名稱(chēng)不寫(xiě)“旋噴泵或旋殼泵"。皮托泵的水力設計的專(zhuān)利也僅僅在上世紀六十年代才發(fā)現,本世紀國內外專(zhuān)利文獻中不再出現。限于篇幅殃姓,本文僅介紹了部分有價(jià)值的皮托泵美國專(zhuān)利,并為我國旋噴泵研制者提供了搜索皮托泵資料的渠道。


本文針對我國旋噴泵研究和制造的權威單位,在葉輪、集流管和轉鼓的水力設計以及機械設計方面還存在的缺陷,奉獻十多年來(lái)進(jìn)口美國皮托泵工作中收集的資料和工程經(jīng)驗垢粮,希望對我國旋噴泵的研究威始、產(chǎn)品設計和工業(yè)應用有所啟迪晾虑,以便盡快縮小與美國Envirotech泵公司還存在的很大差距埃仪。

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