对称布置型多级屏蔽泵的设计

对称布置型多级屏蔽泵的设计

1无动密封的作用平额泵是一种无密封泵。在结构上,它由屏蔽电动机和泵组成,定子和转子分别用非磁性耐腐蚀薄壁屏蔽套隔离开来。转子由前后轴承支承浸没在输送介质中,因而不需要任何型式的动密封来防止被输送介质的向外泄漏。由于屏蔽泵无动密封,因此在正常运行情况下绝对无泄漏,适合输送易燃、易爆、易挥发、有毒、腐蚀性以及贵重液体,在石油、化工、石化、医药等行业有广泛的用途。石油化工行业亟需小流量高扬程的无泄漏泵,但国内在这方面仍属空白,为了弥补此一空白,我们研制了一种对称布置的小流量高扬程多级屏蔽泵。2多段式代理泵的结构设计2.1残余不平衡轴向力的控制为了平衡轴向力,多级屏蔽泵采用对称布置型式。由于首级叶轮主要考虑抗汽蚀性能,取较大进口直径,其余7级叶轮基本参数一致。从叶轮入口侧看前4级叶轮逆时针旋转,后4级叶轮顺时针旋转。叶轮左右对称布置平衡轴向力,由于首级叶轮进口参数的不同会引起残余不平衡轴向力,可由屏蔽电动机中的前后推力轴承平衡。考虑屏蔽泵在输送不同介质时,首级叶轮可能发生汽蚀,根据实际情况,可在首级叶轮前加装变螺距诱导轮,以提高屏蔽泵的抗汽蚀能力。由于采用对称布置结构,流体流入后4级叶轮时流动方向需反向,故需采用筒式结构来实现对流体的引导。本设计方案中流体经过前4级叶轮加压后,从中间出水段流入外筒体,经中间进水段流入后4级叶轮,从而实现对流体的引导变向。多级离心泵泵轴挠度如过大,容易引起异常振动、抱轴等故障,应该尽量减少泵轴在运行中的挠度值。考虑到多级屏蔽泵的泵轴为细长轴,为满足刚度要求,减小挠度,将采用4支点支承。各中段之间采用螺纹联接,以利于拆装、定位。对称布置型多级屏蔽泵结构如图1所示。2.2轴的临界转速在工程中,为保证泵工作时的运行稳定性,需要在设计阶段计算转子的临界转速,使转子的旋转频率与转子的固有振动频率不相等,以确保泵的工作转速在安全范围内。转子结构简图如图2所示。采用叠加法计算临界转速,对轴上作用若干各集中载荷的轴系,可用邓克莱公式近似计算式中nc——轴系的临界转速,r/minn0——轴本身的临界转速,r/minni——各个集中载荷作用下轴的临界转速,r/min经验表明,用这种方法计算的临界转速比真实值小2%～10%。临界转速计算式可写为式中yi——单个集中载荷作用下的静挠度,cm简化计算时,考虑靠近叶轮的两支点对其影响较大,忽略其余两支点,从而将其简化为单个集中载荷作用下的两支点模型。将电动机转子重量简化为均布于轴上的两支点均布载荷模型。单独载荷作用下轴的挠度和临界转速的关系列于表1。90kW/2P电动机采用定子外径φ=358mm,内径φ=170mm,铁心长390mm方案进行验算。电动机转子重量G=110kgf,叶轮重量G=2.5kgf。泵轴的已知结构参数为,轴总长L=130cm,弹性模量E=2.1×106kgf/cm2,轴直径d1=3.8cm,轴套直径d2=5.3cm,平均惯性矩J=45.7cm4,材料密度ρ=7750kg/m3。各级叶轮到轴承的距离见表2。将各参数带入表3中各式,计算出单个集中载荷作用下的静挠度yi,将各静挠度值代入式(2),计算得临界转速为nc=8978r/min,工作转速为n=2900r/min,由于n≤0.8nc,则轴为刚性轴,故轴设计符合要求。2.3轴向力的确定多级屏蔽泵虽然采用对称布置方式平衡轴向力,但首级叶轮进口直径不同于其它各级叶轮而产生残余轴向力。在实际使用过程中,输送介质的比重、黏度均对轴向力的大小和方向产生影响,运转工况的改变也使轴向力发生变化,从而经常造成轴承发生异常磨损。因此必须对推力轴承的设计予以足够的重视。屏蔽泵允许的轴向推力的大小不得大于表3中规定的数值。叶轮所产生的轴向力主要是由于叶轮前、后盖板不对称引起的盖板力T1。经计算,首级叶轮产生的轴向力为F=1257.3N,次级叶轮产生的轴向力为F=770.8N。对称布置型多级屏蔽泵的残余轴向力为F=486.5N,满足表5中规定。2.4冷却循环回路屏蔽电动机工作时,定子绕组的电流损失、铁心能量损失以及屏蔽套的涡流损失等产生的热量必须由循环冷却液体带走。同时,支承转子的径向导轴承和限制轴向窜动、承受轴向力的推力轴承也要在必要的冷却润滑条件下才能正常工作,因此,冷却循环回路的循环液是保证屏蔽电动机正常工作的必要条件。本次设计方案采用普通型冷却循环方式,其液流流向见图3。由于采用泵本身所输送的介质进行润滑冷却,合理分布循环冷却回路中的压降,保证足够的循环冷却液,从而防止因局部温升过高而使润滑介质在循环回路中发生汽化。3多段屏盖的水力设计根据设计要求,确定多级屏蔽泵的设计参数,如表4所示。3.1叶轮主要尺寸参数考虑到多级屏蔽泵所输送的介质具有易汽化特点,在叶轮水力设计时将采用两种不同的叶轮,分别为首级叶轮和次级叶轮。首级叶轮主要考虑提高其抗汽蚀性能,适当加大进口直径,次级叶轮主要考虑提高效率。故首级叶轮进口比次级叶轮进口大12mm。首级叶轮和次级叶轮的主要尺寸参数见表5。次级叶轮木模图如图4所示。3.2两级叶轮之间的引导水流为了使水流能够无冲击流入下一级叶轮,减少水力损失,在两级叶轮之间设计了一个导叶来引导水流,使水流均匀流入下一级叶轮进口。为了使结构紧凑,将导叶与中段结合在一起,整体精密铸造成型,导叶结构如图5所示。3.3流固结构单元因为考虑采用对称结构以及布置滑动轴承,叶轮与蜗壳的相对位置与传统结构不同,故在蜗壳入口处加一个只有正导叶的径向导叶。流体经过末级叶轮加压后,流入导叶,从而改变流体的流动方向,使流体平顺地流入蜗壳。蜗壳的主要参数为基圆直径D3=2mm,出口直径D4=65mm,隔舌安放角为15°。蜗壳结构及具体参数如图6所示。4简化计算的实验结果对称布置型多级屏蔽泵满足了石油化工行业所需要的小流量、高扬程和无泄漏等要求。采用对称布置型式基本平衡了轴向力,减少了附加