CN100455815C - 动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及对多级离心泵轴向力进行调控的方法及其多级离心泵的结构，尤其涉及分前、后两部叶轮对称布置的或近似对称布置的多级离心泵在运行过程中当轴向力发生变化时对其进行调控的方法。本发明当多级泵在运行过程中由于各种密封间隙的磨损而出现轴向力增量时，通过调整调控装置中的节流机构调节流量使其进、出口两端的压力差达到预定值，从而控制多级泵中两个特定腔体内的压力分布平均值之差达到预定值，从而对多级泵运行过程中因密封间隙磨损而出现的轴向力增量进行及时和恰当的反方向抵偿，以延长多级泵的平均无故障工作时间(MTBF)，提高泵的平均使用寿命。

Description

动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法

技术领域：

本发明主要涉及对多级离心泵轴向力进行调控的方法及其多级离心泵的结构，尤其涉及分前、后两部叶轮对称布置的或近似对称布置的多级离心泵在运行过程中当轴向力发生变化时对其进行调控的方法。

背景技术：

轴向力是影响离心泵平均寿命的主要因素之一。在现有技术中，对于单级单吸离心泵，平衡轴向力的方法是在叶轮后盖板上设密封环(称后密封环)并使该密封环范围以内的泵腔与吸入口相连通，使得叶轮前、后盖板上所承受的压力基本抵消，残余轴向力由推力轴承来承担。连通方法有两种：一种是在后密封环范围以内叶轮后盖板上开平衡孔，另一种是用卸荷管(回水管)将该范围内的泵腔与吸入口相连通。其卸荷管直径一般在10mm左右，出厂以后卸荷管直径不再变化。多级离心泵叶轮数至少在两个以上，多则十几个甚至更多。平衡轴向力的方法有，A.蜗壳式多级离心泵，有螺旋形压水室，壳体通常是水平中开的，采用叶轮对称布置方法来平衡轴向力，残余轴向力由推力轴承来承担；B.山西阳泉市水泵厂ZL96217016.X名称为“节段对置蜗壳式多级渣浆泵”的实用新型专利公开的是节段蜗壳式多级渣浆泵；C.传统节段式离心泵全部叶轮同方向安装在一根泵轴上，各级压水室为径向导叶式，定子用拉紧螺栓沿轴向拉紧为一体。这种泵长期以来一直采用末级叶轮后的平衡盘或平衡鼓(又称卸荷盘)来平衡轴向力；D.本发明人在ZL02114680.2名称为“叶轮对称布置的分段式多级离心泵”的发明专利公开了一种单吸多级节段式离心泵，叶轮分布呈近似对称状态，残余轴向力由推力轴承来承担。上述各种结构形式的多级离心泵无论是蜗壳式的还是径向导叶式的，其平衡轴向力的方法一般分两类：一类是用对称布置的方法使整台泵轴向力基本平衡，由推力轴承来承担残余轴向力；另一类是全部叶轮同方向安装，用平衡盘使整台泵的轴向力达到动态平衡，或者使用平衡鼓(卸荷盘)的平衡力与整台泵的轴向力达到基本平衡，而残余轴向力仍然由推力轴承来承担。上述泵的轴向力在出厂前已调整好，在运行过程中不再进行调控轴向力的工作。

但是，泵在运行期间，由于多级离心泵往往使用在矿井下或野外农田灌溉中，运行环境条件较差，被泵送的液体中常含有一定量的固体颗粒，泵内磨损的速度随含杂量和颗粒度的加大而急剧加快，导致大量的泵远远达不到行业标准规定的首次大修期(8000小时以上)就已损坏，有的泵甚至只能使用数百小时。对此在该行业解决的方法往往是解体检修，甚至另换新泵。非计划性停机现象屡屡发生，严重影响了正常生产。

本发明人根据多年的观察和研究，发现随着泵运行时间的延长，单吸叶轮前后密封间隙都会因磨损而逐渐加大，前密封间隙的加大使得叶轮前盖板所承受压力分布降低，后密封间隙的加大使得叶轮后盖板所承受压力分布升高，二者都引起轴向力沿着指向单吸叶轮进水口侧的方向增大以至引起推力轴承的损坏。传统单级单吸离心泵对上述泵运行过程中轴向力增大没有具体的应对措施，只是这种轴向力变化增量较小，变化速度较慢，表现出的危害不十分严重。而在多级泵的实际运行过程中，所有的密封间隙都会因磨损而逐渐加大，各个密封间隙的磨损都会导致每级叶轮两个盖板外的压力分布发生变化，每级叶轮承受的轴向力随着运行过程出现增量，多级离心泵中多数叶轮这种轴向力增量比单级泵情况还要大得多。多级泵全部叶轮所承受的轴向力的增量迭加在一起，表现为整台多级泵运行过程中出现的轴向力增量。这个增量与单级泵情况相比有三个显著特点：一是量值大，二是变化快，三是方向和大小会随对称布置与否和对称布置的具体方式而有所不同。这往往会导致整台多级泵的实际轴向力值超出设计规定的轴向力变化范围，而导致多级离心泵的损坏。也是工程实践中多级离心泵故障率远较单级离心泵故障率高得多的最根本、最主要的原因。事实是现有技术中，多级离心泵比单级离心泵因轴向力过大而造成的故障率高得多。总之，运行过程中出现的轴向力增量是多级离心泵因轴向力过大而造成各种故障的根源。

发明内容：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法。本发明当多级泵在运行过程中由于各种密封间隙的磨损而出现轴向力增量时，通过调整调控装置中的节流机构调节流量使其进、出口两端的压力差达到预定值，从而控制多级泵中两个特定腔体内的压力分布平均值之差达到预定值，从而对多级泵运行过程中因密封间隙磨损而出现的轴向力增量进行及时和恰当的反方向抵偿，以延长多级泵的平均无故障工作时间(MTBF)，提高泵的平均使用寿命。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种动态调控多级离心泵轴向力的方法，其主要特点是包括有：

A.在分前、后两部对称布置的或近似对称布置的多级离心泵，其前部叶轮进水口指向驱动端，后部指向非驱动端，在前部末级叶轮(1-3)上设有后密封环(1-9)，在后密封环(1-9)范围以内的腔体(1-4)上开调控孔(1-6)，用调控装置将调控孔(1-6)与前部前数级叶轮的吸入腔(1-2)通过回流孔(1-7)相连接，或者与前部吸入段的吸入室(1-1)通过回流孔(1-8)相连通。

B.给出后密封环(1-9)范围以内的腔体(1-4)的压力P与多级泵的轴向力f之间变化的对应关系f(P)，确定设计时选用的驱动端或非驱动端推力轴承允许承受的最大轴向力F，并使|f(P)|≤F。

C.在离心泵轴的非驱动端后部轴承体(2-3)上设有泵用轴向力测定装置(5)，在调控装置的连通管(3-3、3-6)上设有辅助监测机构压力表(3-2)或压差计(3-2’)，用调控装置中的节流机构(3-1)作为调控的执行机构调节调控装置中的泄漏量，使压力表(3-2)或压差计(3-2’)作为主要监测机构显示的压力/压差指示值P_min为多级离心泵的残余轴向力达到设计时选用的推力轴承允许承受的轴向力F。

D.多级离心泵开始运行。

所述的动态调控多级离心泵轴向力的方法还包括有

E.随着多级泵运行过程中前、后部压出段间轴套部位泄漏间隙及前部末级叶轮后密封环密封间隙的磨损引起对应的泄漏量逐步加大，使得前部末级叶轮后密封环范围(1-4)内压力升高，调控装置中的监测机构压力表(3-2)或压差计(3-2’)显示的压力/压差指示值变大，由P_min逐渐增达到P_max时，重复C步骤，多级离心泵继续运行。

G.当多级离心泵运行到调控装置(3-0)中的节流机构(3-1)调节调控装置中的泄漏量对压力表(3-2)或压差计(3-2’)显示的压力/压差指示值P无变化或变化在(P_max-P_min)/2以下时，解体检修，使多级泵内所有的密封间隙都恢复到设计值并更换其它已磨损过流部件后，重复C步骤，多级离心泵恢复运行。

所述的动态调控叶轮对称布置得多级离心泵轴向力的方法还包括有所述的A步骤中，在分前、后两部对称布置的或近似对称布置的多级离心泵为多级泵的总级数为偶数，前、后部叶轮总数相等；级数为奇数，后部叶轮数比前部叶轮数多一个，后部末级叶轮(2-1)后盖板上装有背叶片。

所述的动态调控多级离心泵轴向力的方法还包括有所述的前数级叶轮为至少1级。

所述的动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法的泵用轴向力测定装置(5)在离心泵轴的非驱动端后部轴承体(2-3)设有轴承(5-2)，轴承(5-2)的外圈设有轴承盒(5-3)，导向键(5-4)设于轴承体(2-3)与轴承盒(5-3)之间；轴承体端盖(5-14)与轴承体(2-3)固连，其立柱端设有在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器(5-12)；轴承盒压盖(5-5)将轴承(5-2)沿轴向压紧在轴承盒(5-3)内，其中心固连有挺杆(5-6)，穿出轴承体端盖(5-14)与轮辐剪切式力传感器(5-12)固连；泵用轴向力测定装置(5)在轴承体端盖(5-14)的立柱端与在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器(5-12)之间设有同样在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器(5-15)。在泵用轴向力测定装置(5)上设有轴向力显示表可以直接显示轴向力的大小。

所述的动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法还包括有所述的调控孔(1-6)和前部前数级叶轮的吸入腔(1-2)或前部吸入段的吸入室(1-1)相连通的回流孔(1-7、1-8)的内径为多级离心泵泵口径的1/4-3/4。

所述的调控装置包括有连通管(3-3、3-6)，其两端设有与泵体相联接的进口端管接头(3-4)和出口端管接头(3-5)，还包括在连通管(3-3、3-6)上设有节流机构(3-1)。用节流机构可调节高压腔体(1-4)内的压力。

所述的调控装置还包括有连通管(3-3)和(3-6)、进口管接口(3-4)和出口管接头(3-5)、法兰盘(3-7)和法兰盘(3-8)的内径相同，且均为多级泵泵口径的1/4-3/4。

所述的调控装置还包括有节流机构(3-1)为安装在第一法兰盘(3-7)和第二法兰盘(3-8)之间的至少两个不同孔径的节流片或节流环(3-9)。

所述的调控装置还包括有所述的节流机构(3-1)为节流阀或为电动节流阀门。

本发明的方法主要基于发明人对上述问题研究后的如下结论：

1.运行时间的延长，单吸叶轮前后密封间隙都会因磨损而逐渐加大，前密封间隙的加大使得叶轮前盖板所承受的压力分布降低，级间密封间隙的加大使得叶轮后盖板所承受的压力分布升高。二者都引起轴向力沿着指向单吸叶轮进水口侧的方向增大以至引起推力轴承的损坏。

2.用节流机构可调节高压腔体(1-4)内的压力。

3.轴向力与腔体(1-4)内的压力或者腔体(1-4)与前部末级叶轮之前叶轮的吸入室或前部吸入室之间压力差存在有比较确切的一一对应关系。

本发明的有益效果是：

1.结构简单，设计合理。

2.由泵的用户在泵运行过程中调整调控装置的执行机构来对泵运行中出现的轴向力增量进行及时和恰当的反方向抵偿，由调控装置的监测机构来直接或间接监测执行机构的反向抵偿工作是否恰当合理。省工省时，方便快捷，可防止非计划性停机现象，从而使多级离心泵平均无故障工作时间(MTBF)及平均使用寿命大为延长，泵的可靠性指标成倍增长，使其远远超出行业标准的规定。同时由于对泵的总级数i、叶轮布置方式及其它过流部件作出比较灵活和适当的调整等，可使多级离心泵的效率有所提高。

3.调控装置的执行机构和调控装置的监测机构均安装在泵体的外部非常明显和方便的位置，便于对多级离心泵轴向力增量进行及时和恰当的抵偿。

4.适用于蜗壳式或是导叶式，卧式或立式等结构形式的多级离心泵。

附图说明：

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：

图1为本发明的应用实施例1主视图。

图2为本发明的应用实施例2主视图。

图3为本发明的泵用轴向力测定装置主视示意图。

图4为本发明的调控装置实施例1的主视图。

图5为本发明的调控装置实施例2的主视图。

具体实施方式：

应用例：见图1，为型号MDZ85-67X6的叶轮对称布置的单吸六级离心泵，整台泵分为前部和后部两组，前部叶轮和后部叶轮进口方向相反。多级泵的总级数为偶数，前、后部叶轮总数相等。以上总体布置方式可使前、后两组叶轮所承受的轴向力大部互相抵消。在分前、后两部对称布置的或近似对称布置的多级离心泵，其前部叶轮进水口指向驱动端，后部指向非驱动端，在前部末叶轮1-3上设有后密封环1-9，在后密封环1-9范围以内的腔体1-4上开调控孔1-6用调控装置将调控孔1-6与前部前数级叶轮的吸入腔1-2或前部吸入段的吸入室1-1通过回流孔1-7、1-8相连通。调控孔1-6与调控装置的进口管接头3-4连接，调控装置的出口管接头3-5与前部中段1-2或前部吸入段的吸入室1-1相连通。输送液体的主液流从前部吐出段压出后，通过与泵进、出口等直径的管路与后部吸入段的吸水室2-2相连通，最后从后部吐出段压出。后部轴承体2-3上安装配对角接触球轴承2-4。

整台泵出厂前，通过实测给出调控轴向力的监测值：

安装调控装置节流孔的孔径最小的节流片3-9，使整台多级泵的残余轴向力达到监测机构压力的初始值，如泵出口压力为3.98MPa，流量为85m³/h，其监测机构压力的初始值为1.34MPa，随着多级泵运行过程中密封间隙的磨损轴向力将发生变化，但是由于此种结构形式的多级泵在运行中前、后部绝大多数叶轮有关密封间隙对称磨损的原因，运行中的实际轴向力与腔体1-4内的压力或者与腔体1-4与前部末级叶轮之前叶轮的吸入室或前部吸入室之间的压力差存在有比较确切的一一对应关系，随着前、后部吐出段间轴套部位泄漏间隙及前部末级叶轮后密封环密封间隙的磨损引起对应的泄漏量逐步加大，使得前部末级叶轮后密封环范围的腔体1-4内压力升高，从而压力表3-2或压差计3-2’的显示值变大，整台多级泵的残余轴向力由-f_m开始逐渐地由负变零进而变为正向。残余轴向力的正向最大允许值f_m与开始时的负向轴向力-f_m绝对值相等，亦等于设计时选用双向推力轴承所允许的轴向力的最大值，当残余轴向力达到监测机构压力达到调控值2.08MPa。再由用户将节流片3-9更换为孔径较大的节流片3-9，使轴向力的变化重复上述“-f_m-零值-f_m”的变化过程，对应的压力表3-2显示值重复上述1.56MPa-2.08MPa或压差计3-2’重复上述“ΔP_min-ΔP_max”的变化过程。每经历一个变化过程，就将节流片3-9更换为孔径更大的节流片3-9，直至将所有备用5个节流片3-9全部用完，再对泵进行检修。更换一个节流片3-9的周期与所泵送液体的清洁程度(含杂量及其颗粒度)、各种密封间隙所使用材质及其它一些具体设计参数有关。

只要压力表3-2或压差计3-2’的显示值处于规定的范围内，则残余轴向力也就处于-f_m、f_m之间。残余轴向力是随泵的流量变化的，因此这种泵出厂时要给出“调控装置压力表读数极小值P_min、极大值P_max-进、出口压力(流量)”曲线或者给出“压差计读数极小值ΔP_min、极大值ΔP_max-进、出口压力(流量)”曲线，该曲线还应按安装后泵的实际吸入真空度进行调整，以便在运行中随时间接监测轴向力的变化情况。

应用例2：图2，可动态调控轴向力的叶轮对称布置的多级离心泵，在离心泵轴的非驱动端后部轴承体2-3上设有泵用轴向力测定装置5。在泵用轴向力测定装置5上设有轴向力显示表可以直接显示轴向力的大小。泵用轴向力测定装置5的结构另报专利。

图3，泵用轴向力测定装置5在离心泵轴的非驱动端后部轴承体2-3设有轴承5-2，轴承5-2的外圈设有轴承盒5-3，导向键5-4设于轴承体2-3与轴承盒5-3之间；轴承体端盖5-14与轴承体2-3固连，其立柱端设有在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器5-12；轴承盒压盖5-5将轴承5-2沿轴向压紧在轴承盒5-3内，其中心固连有挺杆5-6，穿出轴承体端盖5-14与轮辐剪切式力传感器5-12固连。在轴承体端盖5-14的立柱端与在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器5-12之间还设有同样在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器5-15。

调控装置实施例1：见图4，有连通管3-3、3-6，其两端设有与泵体相联接的进口端管接头3-4和出口端管接头3-5，在连通管3-3、3-6上设有节流机构3-1。在连通管3-3、3-6上还设有监测机构压力表3-2。连通管3-3、3-6的管径为多级泵泵口径的1/2。节流机构3-1为在连通管3-3、3-6上设有法兰盘3-7、3-8，两盘之间设有六个不同中孔孔径的节流环3-9。

调控装置实施例2：见图5，节流机构3-1为节流阀或为电动节流阀门。其余结构与上例相同。

Claims (7)

1.一种动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法，其特征是包括有：

A.在分前、后两部对称布置的或近似对称布置的多级离心泵，其前部叶轮进水口指向驱动端，后部指向非驱动端，在前部末级叶轮(1-3)上设有后密封环(1-9)，在后密封环(1-9)范围以内的腔体(1-4)上开调控孔(1-6)，用调控装置将调控孔(1-6)与前部前数级叶轮的吸入腔(1-2)通过回流孔(1-7)相连通，或者与前部吸入段的吸入室(1-1)通过回流孔(1-8)相连通；

B.给出后密封环(1-9)范围以内的腔体(1-4)的压力P与多级泵的轴向力F之间变化的对应关系f(P)，确定设计时选用的驱动端或非驱动端推力轴承允许承受的最大轴向力F，并使|f(P)|≤F；

C.在离心泵轴的非驱动端后部轴承体(2-3)上设有泵用轴向力测定装置(5)，在调控装置的连通管(3-3、3-6)上设有辅助监测机构压力表(3-2)或压差计(3-2’)，用调控装置中的节流机构(3-1)作为调控的执行机构调节调控装置中的泄漏量，使压力表(3-2)或压差计(3-2’)作为主要监测机构显示的压力/压差指示值P_min为多级离心泵的残余轴向力达到设计时选用的非驱动端推力轴承允许承受的轴向力F；

D.多级离心泵开始运行；

E.随着多级泵运行过程中前、后部压出段间轴套部位泄漏间隙及前部末级叶轮后密封环密封间隙的磨损引起对应的泄漏量逐步加大，使得前部末级叶轮后密封环范围(1-4)内压力升高，调控装置中的监测机构压力表(3-2)或压差计(3-2’)显示的压力/压差指示值变大，由P_min逐渐增达到P_max时，重复C步骤，多级离心泵继续运行；

F.当多级离心泵运行到调控装置中的节流机构(3-1)调节调控装置中的泄漏量对压力表(3-2)或压差计(3-2’)显示的压力/压差指示值P无变化或变化在(P_max-P_min)/2以下时，解体检修，使多级泵内所有的密封间隙都恢复到设计值并更换其它已磨损过流部件后，重复C步骤，多级离心泵恢复运行。

2.如权利要求1所述的动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法，其特征是还包括有所述的A步骤中，在分前、后两部对称布置的或近似对称布置的多级离心泵为多级泵的总级数为偶数，前、后部叶轮总数相等；级数为奇数，后部叶轮数比前部叶轮数多一个，后部末级叶轮(2-1)后盖板上装有背叶片。

3.如权利要求1所述的动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法，其特征是所述的泵用轴向力测定装置(5)在离心泵轴的非驱动端后部轴承体(2-3)设有轴承(5-2)，轴承(5-2)的外圈设有轴承盒(5-3)，导向键(5-4)设于轴承体(2-3)与轴承盒(5-3)之间；轴承体端盖(5-14)与轴承体(2-3)固连，其立柱端设有在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器(5-12)；轴承盒压盖(5-5)将轴承(5-2)沿轴向压紧在轴承盒(5-3)内，其中心固连有挺杆(5-6)，穿出轴承体端盖(5-14)与轮辐剪切式力传感器(5-12)固连；泵用轴向力测定装置(5)在轴承体端盖(5-14)的立柱端与在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器(5-12)之间设有同样在轮辐上贴有应变片的剪切式力传感器(5-15)。

4.如权利要求1所述的动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力的方法，其特征是还包括有所述的前数级叶轮为至少1级。

5.如权利要求1所述的动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力方法，其特征是所述的调控装置包括有连通管(3-3、3-6)，其两端设有与泵体相联接的进口端管接头(3-4)和出口端管接头(3-5)，在连通管(3-3、3-6)上设有节流机构(3-1)。

6.如权利要求1或5所述动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力方法，其特征是所述的调控装置还包括有所述的调控孔(1-6)和前部前数级叶轮的吸入腔(1-2)或前部吸入段的吸入室(1-1)相连通的回流孔(1-7、1-8)的内径为多级离心泵泵口径的1/4-3/4；连通管(3-3、3-6)、进口管接头(3-4)和出口管接头(3-5)、第一法兰盘(3-7)和第二法兰盘(3-8)的内径均为多级泵泵口径的1/4-3/4。

7.如权利要求1所述动态调控叶轮对称布置的多级离心泵轴向力方法，其特征是所述的调控装置还包括有节流机构(3-1)为第一法兰盘(3-7)和第二法兰盘(3-8)之间至少设有两个不同孔径的节流片或节流环(3-9)或节流机构(3-1)为节流阀或为电动节流阀门。

Images