立式混流双级泵的技术改造

      应用在含泥沙量较大条件下的泵，如黄河中下游抽水泵站，除了过流部件会受到介质中泥沙的磨损，转动部件与静止部件之间的配合面也会因泥沙等颗粒的进入而磨损得非常严重。针对这一问题，对本文的双级泵实施了结构创新的技术改造。
      一、故障分析
      介质情况：抽取黄河水，常温，泥沙含量大。
      性能参数：流量1m3/s、设计扬程43.65 m、扬程范围38.53～45.23 m、转速990 r/min、电机功率560 kW。
      运行方式：连续运行。
      根据以上参数选择SEZ型立式混流双级泵，泵结构图如图1所示。泵的过流部件进水喇叭、导叶体、筒体均采用焊接式结构，材质为碳钢；叶轮室为焊接件，材质为不锈钢；叶轮为铸件，材质为不锈钢。这些材质的特点是结构强度高，耐磨损性能优良。在设计上只需在原件厚度上增加一定富余量，预计可满足耐磨性要求。过流部件的磨损和防治措施以及泵过流部件的磨损对泵运行点的影响都有相关文献对此进行研究。除以上过流部件外，泥沙磨损还会发生在下文所述部位。
      
      1、泥沙会进入到转动部件与非转动部件配合面的缝隙内，泵转子在转动时会造成相互配合零部件的磨损，这类零件有轴承、轴套。
      2、细小的泥沙会进入相对静止的配合面内， 当泵进行检修或更换易损件时，需要拆卸这些零件，会发现零件配合面损伤，如叶轮与轴的配合面、轴与轴套的配合面、联轴器与轴的配合面。
      3、含泥沙的介质会冲击比较精细的零件，造成零件损伤，影响泵组的长期稳定运行，如叶轮螺母、轴螺纹。
      4、应尽量避免泥沙沉积，如果泥沙沉积，泥沙会增加泵对基础的载荷，并与轴这样的精细零件直接接触，造成轴的损伤。
      二、解决方法
      根据以上定性分析，采取结构改进来解决上述磨损问题。
      1、导轴承的设计
      为避免泥沙进入动静配合面，泵用导轴承的选择至关重要。根据以往经验，我们选用耐磨、抗冲蚀性能优良的赛龙SXL塑料轴承作为泵用导轴承。
      导轴承的结构设计非常重要，好的导轴承结构能够提高导轴承的寿命。结构设计时，主要考虑散热、充分润滑冷却、减少磨损等方面的要求。结构上轴承内圈需要开设冷却水槽，以提高冷却、润滑的效果。
      导轴承的布置除了与泵轴跨距等因素有关，还与泵转子的径向力有关。在机械领域，可通过公式法或ANSYS分析软件计算轴承跨距。这里我们着重阐述泵转子径向力问题。
      在立式泵中，转动部件的径向力主要来自下述两个方面。
      （1）转子的不平衡量
      由于叶轮铸造加工的偏差和轴、联轴器等转动零件的加工偏差，导致转子不平衡量的产生。
      （2）水力的不平衡量
      叶轮为整体铸造，必然产生泵叶片翼型不对称布置的偏差，这样泵在抽送介质时会产生水力上的不平衡。
      所以，一般布置泵导轴承时，都会在每级叶轮处布置一只导轴承。对于次级叶轮导轴承，我们的改进措施为：在泵轴外增加套管，利用套管保护泵转子内零件，如轴、轴承、联轴器等。在套管内引入外接冲洗水，控制冲洗水流量和压力，达到润滑、冷却轴承的目的。为防止泥沙进入到轴承与轴套的配合面，在轴承外侧增设一对骨架油封，用于把内部腔体和外部分隔开。骨架油封方向朝向外侧， 这样可保持套管内冲洗水的流动性，还可有效防止泥沙进入。
      对于首级叶轮处轴承，冲洗水无法从套管内到达首级轴承，但我们仍希望采用引入外接水的方式润滑、冷却轴承。结构改进如下：我们在制作导叶体时，在其内埋入一只G1/2英寸接管，从外部直接引入外接冲洗水，在轴承室内增设一腔体。
      为保证外接水能到达轴承内圈，在导轴承的设计上应遵循以下原则：
      （1）在导轴承上圆周方向钻6～8只圆孔，圆孔的数量与水槽的数量保持一致。
      （2）圆孔开设角度需与水槽开设角度保持一致。
      （3）保证这些圆孔面积之和与1/2英寸管的截面积大体一致即可。
      为防止抽送介质中泥沙进入到轴承与轴套配合面，在导轴承的轴向两侧各增设一对骨架油封，骨架油封的方向仍然朝向外侧，结构如图2所示。
      
      2、为防止泥沙进入配合面，需要对各个联接配合面进行密封
      （1）对于配合面较小的部位，密封可采用简单可靠的橡胶圈密封。
      （2）对于配合面较大的部位，密封可采用涂抹胶水进行防沙密封。
      3、该双级泵有两只叶轮，对应两只不同的叶轮锁紧螺母
      （1）对于首级叶轮，可将叶轮锁紧螺母形状设计为流线形，这样可减少泥沙对该螺母的冲击，见图2。
      （2）对于次级叶轮螺母，因其结构限制无法设计成流线形，可设计两只螺母，起锁紧作用的螺母在靠近叶轮处，为主螺母；下方副螺母可有效防护主螺母免受泥沙的冲刷。为保护轴上螺纹，将轴上螺纹隐藏在副螺母内，见图3。
      因首级导叶体与旋转部件无法进行有效密封，为防止泥沙沉积在导叶体腔体内，我们在旋转轴上增设一只甩液盘，甩液盘上开设2只螺纹孔，用螺钉固定在轴上。甩液盘下平面开设4～6只方槽， 随着轴的旋转，甩液盘可有效防止泥沙进入导叶体内。在突然停泵的情况下，介质中的泥沙向下沉积，会被甩液盘阻挡，使泥沙无法沉积在导叶腔体内，此结构设计可有效防止泥沙在导叶腔体内的沉积。
      
      三、结语
      通过此次技术改造，为防止泵在运行时的磨损和拆卸时的摩擦损伤，可以得出以下结论：
      1、对于抽送介质中含泥沙量较大的泵组，需着重保护泵导轴承和除叶轮外所有的转动部件。转动部件可采用增设套管的方式进行保护；导轴承可采用外接冲洗水、骨架油封组合应用进行保护。
      2、为防止泥沙进入配合面，需对配合面采取密封措施，密封方式可采用O型圈密封和胶水密封。
      3、在设计上应避免裸露在外的螺纹、螺母等受到泥沙的冲击磨损。
      4、为防止泥沙的沉积可设计甩液盘，对于泥沙量大的水域，采取以上结构改进可提高泵运行的稳定性。
      作者：邹继国   上海凯士比泵有限公司