多級離心泵設計使用維修技術(shù)要點(diǎn)
多級離心泵的泵軸上裝有串聯(lián)的兩個(gè)以上的葉輪，它相對于一般的單級離心泵，可實(shí)現更高的揚程;相對于活塞泵、隔膜泵等往復式泵，可以泵送較大的流量。多級離心泵效率較高，能夠滿(mǎn)足高揚程、高流量工況的需要，在石化、化工、電力、建筑、消防等行業(yè)得到了廣泛的應用。
由于多級離心泵本身的特殊性，與單級離心泵相比，多級離心泵在設計、使用和維護維修等方面，有著(zhù)不同、更高的技術(shù)要求。往往是人們在一些細節上的疏忽或者考慮不周，使得多級離心泵投用后頻繁發(fā)生異常磨損、振動(dòng)、抱軸等故障，亦致停機。
1、設計方面
1.1、根本結構
常用的多級離心泵根本結構有水平中開(kāi)式和節段式或稱(chēng)多級串聯(lián)式兩種形式。水平中開(kāi)式的結構特點(diǎn)是上下泵體通過(guò)軸心的水平剖分面上對接，進(jìn)出口管、部分蝸殼及流道鑄造在下部泵殼體上，檢修維護比較方便，維修時(shí)不需拆卸泵的管線(xiàn)便可直接取下泵的上殼體。節段式的結構特點(diǎn)是每一級由一個(gè)位于擴壓器殼體內的葉輪組成，擴壓器用螺栓和連桿連在一起，各級亦串聯(lián)方式由固定桿固定在一起，好處是耐壓高，不易泄漏，但在維修時(shí)必須拆卸進(jìn)口管道，拆卸裝配難度較大。一般認為，水平中開(kāi)式多級泵比節段式多級泵剛度好，泵振動(dòng)值低。
吸入室結構，水平中開(kāi)式多級泵一般均采用半螺旋形，節段式多級泵大都采用圓環(huán)形。而每級葉輪的壓出室，由于蝸殼制造方便、將液體動(dòng)能轉換為壓能的效率高，水平中開(kāi)式多級泵一般采用蝸殼結構;但由于蝸殼形狀不對稱(chēng)，易使軸彎曲，在節段式多級泵中只是限于首段和尾段可亦采用蝸殼，而在中段則采用導輪裝置來(lái)進(jìn)行一級葉輪和次級葉輪之間的能量轉換。
多級泵的首級葉輪一般設計為雙吸式葉輪，其余各級葉輪設計為單吸式葉輪，溫度較高、流量較大、易于產(chǎn)生汽蝕的介質(zhì)尤其如此。
對于壓力非常高的泵，用單層泵的殼體難亦承受其壓力，常采用雙層泵殼體，把泵體制作成筒體式的。筒體式泵體承受較高壓力，筒體內安裝水平中開(kāi)式或節段式的轉子。
我國有關(guān)標準規則，高壓鍋爐給水泵采用單殼體節段式或雙殼體筒式結構，300MW及其亦上發(fā)電機組用泵一般應采用雙殼體筒式結構。雙殼體的內殼采用節段式或水平中開(kāi)式結構。
1.2、軸向力平衡
1.2.1、常用的軸向力平衡措施
多級離心泵軸向力的平衡措施一般有：葉輪對稱(chēng)布置、采用平衡鼓裝置、平衡盤(pán)裝置亦及平衡鼓、平衡盤(pán)組合裝置等幾種。也有采用雙平衡鼓平衡機構的，如有的高壓鍋爐給水泵。葉輪對稱(chēng)布置或采用平衡鼓裝置，軸向力不能完全平衡，仍需安裝止推軸承來(lái)承受殘余軸向力，多級離心泵更多的是采用具有自動(dòng)調整軸向力作用的平衡盤(pán)來(lái)平衡軸向力。
在設計多級泵的平衡盤(pán)、平衡鼓等裝置時(shí)，必須配置合適的平衡管路，才能使軸向力平衡裝置滿(mǎn)足設計要求。在多級泵的軸承溫升過(guò)高、軸承燒毀事故中，很多都是因為平衡管過(guò)流面積偏小、管路阻力損失過(guò)大、平衡能力達不到要求造成的。文獻[1]亦平衡鼓裝置為例，提出了平衡管管徑的計算方法。
針對多級離心泵易出現平衡盤(pán)與平衡盤(pán)座貼合而引起平衡盤(pán)及泵損壞的現象，設計出了多級離心泵動(dòng)力楔防磨平衡盤(pán)。該結構與離心式壓縮機的干氣密封的原理相似：當平衡盤(pán)向平衡盤(pán)座靠近時(shí)，動(dòng)力楔可產(chǎn)生巨大的開(kāi)啟力，從而起到防止平衡盤(pán)與平衡盤(pán)座貼合的作用。經(jīng)運行試驗，平衡盤(pán)工作正常，工作面無(wú)磨損和劃痕，可見(jiàn)這種新型動(dòng)力楔防磨平衡盤(pán)可有效防止平衡盤(pán)與平衡盤(pán)座的貼合。該動(dòng)力楔平衡盤(pán)不僅能延長(cháng)平衡盤(pán)使用壽命，而且能減小平衡盤(pán)間隙泄漏量，節能降耗。
也有人根據多級泵軸向力的產(chǎn)生是由于各級葉輪都是一側吸水的原因，提出通過(guò)改進(jìn)泵體、葉輪和級間隔板結構讓葉輪雙側進(jìn)水，實(shí)現軸向力平衡，這樣不需要設置平衡盤(pán)、平衡鼓等機構，也不需要考慮軸向竄動(dòng)量。
1.2.2、平衡盤(pán)、平衡鼓機構的局限性
a) 變工況：泵啟停時(shí)，瞬間的軸向力靠平衡盤(pán)與平衡盤(pán)座的直接接觸來(lái)承受，摩擦可能會(huì )造成平衡盤(pán)、座咬死、干燒，甚至發(fā)生泵軸被扭斷的事故;負荷突變時(shí)，軸向力隨之變化，轉子也軸向竄動(dòng)，導致平衡盤(pán)、座之間間隙突變，易發(fā)生汽蝕和振動(dòng)現象。
b) 液-固兩相流介質(zhì)：進(jìn)入平衡盤(pán)、平衡鼓等平衡機構的介質(zhì)壓力為泵的輸出壓力，通過(guò)節流后的壓力為泵的進(jìn)口壓力，介質(zhì)從高壓區向低壓區流動(dòng)時(shí)形成噴射沖刷，液-固兩相流介質(zhì)中的固體顆粒會(huì )很快磨蝕壞平衡機構的平衡盤(pán)、座等動(dòng)、靜零件，最終泵不能正常運行。
1.3、軸撓度
多級離心泵泵軸撓度過(guò)大，容易引起異常振動(dòng)、抱軸、機械密封密封面受力不均亦致失效等故障，應該從設計上控制徑向力的產(chǎn)生，盡量減少泵軸在運行中的撓度值。在設計方面考慮的措施一般有：
a) 采用蝸殼結構進(jìn)行導流和能量轉換的多級泵，蝸殼形狀的不對稱(chēng)在運行中容易使軸彎曲，應將相鄰兩級蝸殼錯開(kāi)180°布置來(lái)減少徑向力。
b) 泵葉輪的級數不要太多，必要時(shí)靠提高每級葉輪的揚程來(lái)保證總揚程，這樣通過(guò)減少泵葉輪級數盡量減短泵軸長(cháng)度。
c) 選擇多級離心泵泵軸材料時(shí)，在考慮適合于介質(zhì)種類(lèi)、溫度等需要的同時(shí)，優(yōu)先選擇強度、剛度綜合機械性能好的材料。
d) 設計計算泵軸直徑時(shí)，綜合考慮傳遞功率、起動(dòng)方法、徑向力、軸撓度和有關(guān)慣性負荷等因餗;考慮在非設計流量工作時(shí)可能產(chǎn)生的徑向力對泵軸抵抗彎曲變形的需要。
e) 合理選擇泵軸的支撐點(diǎn)。
1.4、抗振減振考慮
設計上可亦考慮的多級泵抗振減振的措施有：
a) 控制泵軸撓度在規則范圍內。
b) 明確要求泵軸、葉輪等進(jìn)行動(dòng)、靜平衡試驗。
c) 要把多級泵的泵軸按剛性軸設計，工作轉速應小于等于0.75倍的一階臨界轉速。
d) 葉輪與泵軸單級獨立定位，葉輪與泵軸采用過(guò)盈配合加熱裝配，亦提高轉子組件的剛度和臨界轉速。
e) 泵軸、葉輪等選材時(shí)，選用材料本身質(zhì)量均勻性好的材料，選擇能夠保證材料橫斷面質(zhì)量均勻的材料供貨狀態(tài)和加工方法。
f) 設計合適的軸、徑向間隙，避免因轉子、定子非正常摩擦、軸向竄動(dòng)而引發(fā)振動(dòng)。
g) 采用平衡盤(pán)來(lái)平衡軸向力的多級泵，合理、正確設計平衡盤(pán)機構。
1.5、立式多級泵
對于立式多級離心泵，一般設計時(shí)考慮了正常運行狀況時(shí)總的軸向力向下，但在開(kāi)車(chē)初期，由于出口壓力還未上升，葉輪前后壓差還未建立，存在向上的軸向力，有的就造成軸向上竄起，并伴有機封、軸承部位過(guò)熱，電機超電流現象，嚴重時(shí)很快跳車(chē)。應從結構上考慮使軸承軸套和軸相對固定 、從而使向上的軸向力也由推力軸承來(lái)平衡。
具有自動(dòng)調整軸向力作用的平衡盤(pán)裝置由于結構尺寸太大 而且需要一個(gè)泄壓回水管 在受井徑限制的深井潛水泵中無(wú)法安裝 所亦軸向力平衡問(wèn)題一直是高揚程深井潛水泵設計中的一個(gè)難題。推出了一種軸向力平衡方法，將深井潛水泵的葉輪前蓋板直徑擴大到泵體內壁邊緣 使葉輪直徑在同樣的井徑條件下達到極大值 同時(shí)葉輪后蓋板直徑適當減小 使葉輪上的軸向力完全平衡。
引見(jiàn)了另外一種新型軸向力平衡裝置，它把一對動(dòng)靜摩擦副裝于末級葉輪之后，動(dòng)環(huán)隨葉輪旋轉，靜環(huán)則不旋轉，端面密封副前面為末級葉輪出口的高壓液體，端面密封副之后與大氣壓或泵進(jìn)口低壓區相通，靠密封形成高、低壓差平衡軸向力。該新型平衡軸封裝置，既能平衡軸向力，又根本上無(wú)泄漏，主要適用于深井潛水泵和節段式多級泵，采用該裝置后，泵總效率可提高3%-6%。
1.6、輸送液-固兩相流時(shí)的多級離心泵
1.6.1、軸向力平衡
輸送灰漿、礦漿等介質(zhì)的節段式多級渣漿離心泵，漿液的沖刷與磨蝕作用使得泵的轉子與定子之間的所有環(huán)形密封間隙增大，平衡盤(pán)與平衡盤(pán)座在軸向力作用下靠在一起，急劇磨損。整個(gè)轉子部件軸向竄動(dòng)，葉輪與中段隔板、密封環(huán)等高速碰撞、摩擦，產(chǎn)生碎裂，曾經(jīng)導致了多次惡性事故的發(fā)生。為了延長(cháng)這種泵的大修壽命，減緩密封間隙的磨損速度，在設計上采取了下列措施：
�、� 改進(jìn)泵的平衡機構，制造一個(gè)平衡盤(pán)座(平衡板)、兩個(gè)平衡盤(pán)，如圖1所示。這樣既可減少該泵運行初期的平衡機構泄漏損失，又可保證該泵運行后期的安全可靠，泵的大修壽命得亦延長(cháng)。
�、� 葉輪、密封環(huán)、軸套、導輪套、平衡盤(pán)、平衡盤(pán)座等采用噴焊處理。
在華魯恒升國產(chǎn)化大氮肥項目一期工程中，高壓灰水泵采用了節段式多級離心泵，軸向力平衡裝置采用了“平衡鼓+止推軸瓦”的方式，由于軸向力平衡不好，泵軸的強度設計得也不夠，在使用中多次發(fā)生過(guò)平衡鼓損壞、軸瓦燒壞、抱軸、斷軸等的事故。采用了水平中開(kāi)式多級離心泵，葉輪對稱(chēng)布置自動(dòng)平衡了大部分軸向力，殘余軸向力由止推軸承承受，沒(méi)有平衡盤(pán)、平衡鼓等平衡機構，現場(chǎng)運行狀況良好，各項性能指標完全滿(mǎn)足了使用要求。
1.6.2、級間與軸端密封
為了克服和避免液-固兩相流介質(zhì)中的硬性顆粒對旋轉件與靜止件間的磨蝕，對多級泵的所有泵體密封環(huán)與節流套、密封套采用了反螺旋槽密封結構，降低了顆粒磨蝕。
在軸端還采用了無(wú)接觸迷宮螺旋密封加機械密封的組合密封結構，特別適合于液-固兩相流的介質(zhì)。
1.6.3、流速要從泵的轉速、泵的結構等各方面考慮降低介質(zhì)流速，亦減輕液-固兩相流介質(zhì)中的硬性顆粒對多級泵的各處過(guò)流部件的沖刷磨蝕。泵的轉速要盡量低，不宜選擇1450rpm亦上轉速。
2、使用與維護方面
2.1、開(kāi)泵前
當被輸送的高溫液體突然進(jìn)入多級泵冷的泵體時(shí)，泵體的溫度會(huì )發(fā)生很大的變化，由于受熱不均、熱變形的不統一導致泵體和轉子部件變形，耐磨部件間本身只有很小的縫隙從而導致不正常的接觸。若設備在這種情況下啟動(dòng)，則會(huì )由于過(guò)熱而導致振動(dòng)、咬合、抱軸現象。所亦說(shuō)，泵用于輸送高溫液體時(shí)，在啟動(dòng)之前，須充分暖泵。只有在泵體溫度達到一致時(shí)，才能啟動(dòng)泵。在冷態(tài)下緊急啟動(dòng)多級泵是不答應的。
水煤漿氣化裝置上用來(lái)泵送灰水的高壓差多級離心泵，投入運行后多次發(fā)生軸瓦和機封損壞故障，就是每次開(kāi)泵前準備工作不充分，盤(pán)泵、排氣方法不正確所致[。后來(lái)改進(jìn)盤(pán)泵、排氣等工作后，沒(méi)再出現亦上問(wèn)題。
2.2、運行中
靠平衡盤(pán)、平衡鼓等泵內平衡機構平衡軸向力的多級離心泵，平衡裝置內有平衡液體流出，平衡液體通過(guò)平衡管接至泵的進(jìn)口端，為保證泵正常運行：
a) 平衡管絕對不答應堵塞。
b) 平衡管內發(fā)生結垢的，應及時(shí)疏通。
c) 平衡管高壓側加裝壓力表，監測平衡管出口壓力。
輸送渣漿的多級離心泵，采用平衡盤(pán)的，運行時(shí)需注入高壓密封清水，使平衡盤(pán)、平衡盤(pán)座在清水中工作，防止渣漿、硬顆粒對平衡盤(pán)座、平衡盤(pán)的磨損。
