CN101285473A

CN101285473A - 低扬程大比重液体输送泵

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Publication number: CN101285473A
Application number: CNA2008100313710A
Authority: CN
Inventors: 袁学敏; 刘金庭; 刘灿宇; 陈雨田; 黄文虎; 高岚
Original assignee: Changsha Design Institute of Nonferrous Metallurgy
Current assignee: Changsha Design Institute of Nonferrous Metallurgy
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2008-10-15

Abstract

本发明涉及一种泵，特别是输送液态金属的泵。本发明通过改变泵的相关尺寸，达到了设计目的。按照本发明提供的技术方案设计的低扬程大比重液体输送泵在变频调速范围中的最小转速时最小生产能力能够达到5100吨/小时的输送能力，实现了大比重液体的大输出量，能满足提高工艺产能的要求。

Description

低扬程大比重液体输送泵

技术领域

本发明涉及一种泵，特别是输送液态金属的泵。

背景技术

泵是把原动机的机械能转换成液体能量的机器。泵用来增加液体的位能、压能、动能(高速液流)。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体作功，使其能量增加，从而使需要数量的液体，由吸液池经泵的过流部件输送到要求的高处或要求压力的地方。

液态金属泵是属于低扬程的，其结构简单，由电动机、支架、涡壳、叶轮、排液管等组成。叶轮排出侧具有带涡室的壳体。吸液室位于叶轮之前，压液室位于叶轮之后，它们和叶轮一起构成泵的过流部件。叶轮是泵最重要的工作元件，是过流部件的心脏。叶轮由盖板和中间的叶片组成。

人们常说或常见的所谓泵大多为工业用水泵，输送液体多为工业用水或含有渣量的工业液体。在火法炼铅工艺中用到的泵(有时被称为铅泵)，输送的液体则是500多度高温大比重的重金属熔液。在七十年代开始引进英国的帝国熔炼法(又称密闭鼓风炉熔炼法，简称ISP)的工艺炼铅锌，经过三十年的发展，其生产能力从年产5万吨铅锌逐步发展到目前的年产15万吨铅锌能力。

ISP熔炼工艺流程和铅泵在工艺流程中的位置和作用：将一定比例的烧结块和预热焦炭送入密闭鼓风炉，经熔炼后的熔融金属液从炉底进入融铅池，再通过铅泵将熔融金属液打入铅锌分离冷却槽，经过一定时间和手段冷却分层后，上层比重较轻的粗锌融液进入粗锌圆盘铸锭机铸成锌锭。下层较重的铅融液进入粗铅圆盘铸锭机铸成铅锭。从流程中可以看出铅泵是密闭鼓风炉熔炼的关键设备，流程中生产能力的提高与泵的自身的生产能力大小有着直接的关联。在早年引进的铅泵能力由3000t/h，逐步改造4000t/h和4800t/h，都是在泵轴的叶轮转速和电动机的功率上做文章来满足扩大生产能力的工艺要求。随着ISP流程生产能力的进一步扩大，铅泵的能力成了ISP流程扩大生产能力的瓶颈，不改变涡壳结构和叶轮尺寸的大小，已无法实现和满足铅泵能力的提高。

但是，低扬程大比重液体输送泵这种高温熔液的输送设备目前没有成熟的设计方法，给泵的设计带来很大的困难。泵的输送能力要提高，也并非简单的将已有的泵的尺寸简单地放大所能实现的。

现有技术中，(水泵或工业液体泵)泵的各种设计参数包括

1、基圆直径

2、隔舌安放角；

3、任意流道截面面积

4、任意截面流道半径；

5、流道中心距；

6、流道总高度；

7、任意截面流道高度；

8、扩散管的高度和角度；

9、叶轮直径；

10、进、出口直径。

发明内容

为了提高液态金属泵的输送能力，本发明提供的低扬程大比重液体输送泵泵，通过改变泵主要部位的尺寸比例和尺寸，达到提高输送能力的目的。

本发明提供的低扬程大比重液体输送泵包括总体方案、排液管、涡壳、叶轮，其中：

(一)总体方案

铅泵由电动机、安全联轴器、传动轴和叶轮等组成，铅泵中的高速的旋转体——叶轮将金属液体成功的带入涡壳。叶轮的转速由电动机的转速确定，一般情况，高转速适于高扬程工况，本设备属于低扬程泵类，因此选择6级电动机驱动。并采用变频调速电动机来满足输送能力的不同要求。

1.按泵能力计算电机功率N：

No＝Q*γ*H/(102*η)(KW).................................(公式1)

式中：No——有效功率，KW

Q——泵的流量(即单管铅泵的流量，下同)，m³/s

γ——比重，kg/m³

H——扬程，m

η——综合效率，η＝0.2(经验值)

N_电＝K*No.............................................................(公式2)

式中：N_电——电机功率，KW

K——容量富裕系数，K＝1.3

2.泵的转速(即叶轮转速)的确定：

在相似工况下，相似两泵的比转数必然相等。

泵的比转数：ns＝3.65*n*√Q/H^0.75......................................(公式3)

式中：ns——比转速，r/min

n——电机转速，r/min

G——泵的流量，m³/s

H——扬程，m

3.按扭矩计算泵轴直径：

d＝³√(M/(0.2[τ]))...........................................................(公式4)

式中：d——泵传动轴直径，m

M——传动扭矩，N.m

M＝9550*Nc/n..................................................................(公式5)

Nc——电机功率，KW

n——电机转速，r/min

[τ]——泵轴许用切应力，Pa

4.泵进、出口直径的确定

①进口铅液的流速：V＝K*³√(Q*n²/η)...............................(公式6)

式中：V——进口流速，m/s

K——系数，K＝0.06～0.089(经验值)

Q——泵的流量，m3/s

n——电机(即叶轮)转速，r/min

η——流量容积效率，η＝0.94(经验值)

②扬铅管(即出口)的直径：D＝√(4Q/(πV)).................(公式7)

式中：Q——泵的流量，m3/s

V——出口流速，m/s(出铅速度与进铅速度相等)

考虑到出铅时温度降低，管壁固结有凝固的金属残留物而使管子截面减少，引入富裕系数K＝1.4。

D_单＝K*d........................................................................(公式8)

③泵体总高度H由工艺熔池的液面和扬程就确定。

(二)、叶轮主要规格设计

1.铅液进口的流速：

V＝K*³√(Q*n²/η)......................................................(公式9)

式中：K——系数，K＝0.06～0.08，(经验值，推荐用平均值)

Q——流量能力，m3/min

n——叶轮转速，r/min

η——流量容积效率，η＝0.94(经验值)

2.确定叶轮直径

叶轮和涡壳分别是两个关键过流部件，泵出口直径是涡壳结构上的尺寸，而叶轮的大小由叶片和轮毂共同组成，叶片尺寸与动力有关，轮毂大小和叶片的空隙构成泵的入口，直接影响液体的流入状况。

①按结构计算叶轮直径D_j1

叶轮直径计算，引入叶轮当量直径Do，以Do为直径的圆面积等于叶轮进口去掉轮毂的有效面积，即

D_o ²π/4＝＝(D_j2 ²-d_h ²)π/4推导出：

D_j1＝√(D_o ²+d_h ²)...................................................(公式10)

式中：D_j1——叶轮直径，m

Do——当量直径，m

Do＝Ko*³√(Q/n)...................................................(公式11)

Ko——以汽蚀为主要考虑因素系数，Ko＝5.5

d_h——轮毂中经直径，

Q——泵的流量，m3/s

n——叶轮转速，r/min

②按流量计算叶轮直径

D_j2＝√[(4*Q/πV)+d_h ²].............................................(公式12)

式中：d_h——叶轮轮毂直径，m

Q——泵的流量，m3/s

V——液体流速，m/s

设计原则以同时满足D_j1和D_j2的计算值，幷圆整到标准尺寸系列。

3.由结构设计确定叶轮形状和轮毂中径

考虑传动轴直径和盖形螺母所需扳手空间等结构要求，轮毂的中径取值通常为：：

D_h＝(2～2.5)d..........................................................(公式13)

式中：D_h——轮毂直径，m

d——传动轴径，m

由于重金属高温融液的大比重特性，叶轮叶片形状要求为曲线勺状，因此轮毂形状需要采用倒圆锥台结构，D_h即为圆锥台的中径，即：

D_h＝d_h.......................................................................(公式14)

d_h＝(D_d+D_x)/2............................................................(公式15)

式中：d_h——圆锥台的中径，m

D_d——轮毂大头直径，m

D_x——轮毂小头直径，m

4.确定轮毂的高度(即叶片与轮毂焊接高度)

圆台中经与圆台高度比：D∶h＝2.3∶1

5.确定有效进液高度(即叶片与轮毂的高度差)

进液高度∶圆台高度＝1∶1

(三)涡壳的主要结构设计：

1、基园直径D₃：D₃＝(1.03～1.08)D₂................................(公式16)

式中：D₃——涡壳基园直径，m

D₂——叶轮直径，m

大尺寸泵取小值，反之取大值。

2、隔舌安放角ψo(简称隔舌角)

隔舌位于涡室螺旋部分的始端，将螺旋部分与扩散管隔开。隔舌角ψo取值是为了保证流道螺旋线部分与发散管光滑地联接，并且尽量的减少径向尺寸为原则，高转速的泵，其流体线速度大，受制于流体流动方向和圆周切线方向的夹角带来结构形状的协调，隔舌角ψo不宜太小。

按常规工业水泵的计算和取值：

比转速(r/min)	ns	40～60	60～130	130～220	220～360
比转速(r/min)	ns	40～60	60～130	130～220	220～360		隔舌角(度)	ψo	0～15	15～25	25～38	38～45

分析上述参考选值，当用于低扬程泵时，H取值很小，比转速远远大于上表中的最大数值，隔舌角将为45°以上，由此螺旋线的流道长度势必减少，对于用于高温金属液体的泵来说，输送线路的长度和流道中心距有着直接的关联，在螺旋线流道的设计，随着流道的延伸其截面面积在不断的增大，按流体力学公式可得出：Q＝A*V，当液体流速为定值时，泵的流量Q随着面积A的增大而增大，在流道中动能不断得到增强，达到泵送过程的前期目的——动能增加。由此本设备为尽量选取长距离流道，保证螺旋线与扩散管隔开并使结构协调，隔舌角按不干涉原则取最优小值。本申请人提出经验值为30--40°。

按照本发明实施例，金属液泵体的隔舌角优选取ψo＝30°。

3、最大流道截面面积的确定

F_max＝Q/V₃.......................................................(公式17)

式中：F_max——流道出口到发散管之间的断面面积，m²

V₃——流体任意截面上的平均速度，m/s

4.任意流道截面上流量的确定

根据工业泵常规关系式有：

Q_n＝(ψ_n-ψ_o)*Q/360..........................................(公式18)

式中：Q_n——过流的任意角度的断面上的流量，m³/小时

ψ_n——过流的任意角度，度

ψ_o——隔舌角，度

Q——总流量，m³/小时

5、涡壳任意断面上流体的平均速度：

V₃＝K₃√(2*g*H)................................................(公式19)

式中：K₃——速度系数，当ns＞250r/min时，取K3＝0.35(经验值)

g——常数，g＝9.8m/s²

H——扬程，m

6、任意流道截面面积的确定

由关系式：F_n∶F_max＝ψ_n∶(360-ψ_o)..............................(公式20)

由公式4、5、6统一得出：流道任意截面的面积F_n

F_n＝[(ψ_n-ψ_o)*F_max/360.................................................(公式21)

修正后：F_n’＝K_o*F_n......................................................(公式22)

式中：K_o——修正值，K_o＝360/(360-3/2ψ_o).....................(公式23)

7、任意截面流道半径的确定

R_n√(F_n’/π)...............................................................(公式24)

8、流道中心距的确定

a_n＝R₃+R_n................................................................(公式25)

式中：R₃——基园半径，m

按照本发明提供的技术方案设计的低扬程大比重液体输送泵在变频调速范围中的最小转速时最小生产能力能够达到5100吨/小时的输送能力，实现了大比重液体的大输出量，能满足提高工艺产能的要求。

附图说明

图1涡壳截面图；

图2涡壳的俯视图；

图3叶轮结构示意图。

实施例：

工艺配置设计要求双管输送，输送能力5100t/h，扬程2,2m，(铅液比重10.5t/m³)。

(一)总体方案设计(主要参数的确定)

1.按泵能力的计算电机功率N：

No＝Q*γ*H/(102*η)(KW)

式中：Q——单管流量，

γ＝10500(kg/m³)

Q＝5100/(2*10.5*3600)＝0.0675(m³/s)

H＝2.2m

η＝0.2(综合效率)

No＝0.0675*10500*2.2/(102*0.2)＝76.43(KW)

N_电(＝K*N＝1.2*76.43＝91.76(KW)

N_电(为选择电机的参数依据，圆整后就近选择电动机标准值系列。由经验得知，铅泵处理能力的理论计算往往大于实际要求，为提高电机的功率利用率，达到节能的目的，不宜过大选择电机。

设计结论：综合分析比较选择电动机YSP315 L-6(立式)，90KW，常用工作转速750r/min，调速范围500～980rpm，IP44。

2.泵的比转数n_s：

在相似工况下，相似两泵的比转数必然相等。

n_s＝3.65*n*√Q/H^0.75

式中：n＝750r/min

G＝0.0675m³/s

H^(3/4)＝2.2^(3/4)＝1.81

n_s＝3.65*n*√Q/H^(3/4)＝3.65*750*√0.0675/1.81＝392.94(r/min)

3.按扭矩计算泵轴直径：

d＝³√(M/(0.2[τ]))

式中：M——传动扭矩，N.m

M＝9550*Nc/n＝9550*1.2*90/(500～980)＝2063～1052(N.m)

[τ]——泵轴需用切应力，35SiMn，[τ]＝40～52*10⁶(Pa)

d＝³√(2063/(0.2*(400～520)*10⁵))＝0.064～0.058(m)，圆整后取d＝70mm。

4.泵进出口直径的确定：

①进口铅液的流速V：

V＝K*³√(Q*n²/η)

式中：K＝0.06～0.08(经验值)，取中间值K＝0.079

Q＝0.0675m3/s

n＝750r/min

η＝0.94(流量容积效率经验值)

V＝K*³√(Q*n₁ ²/η)＝0.07*³√(0.0675*750²/0.94)＝2.4(m/s)

②扬铅管(即出口)的直径：d＝√(4Q/(πV))

式中：Q——泵的流量，Q＝0.0675m3/s

V——出口流速，V＝2.4(m/s)m/s(出铅速度与进铅速度相等)

d＝√(4Q/(πV))＝√(4*0.0675/(π*2.4))＝0.189≈0.190(mm)

D_单＝K*d＝1.4*190＝266(mm)，管壁厚10mm，

扬铅管圆整到钢管标准直径系列D＝299×10。

③泵体总高度。

H＝670mm

(二)叶轮设计：

1.确定叶轮直径：

①按结构计算叶轮直径D_j2

D_j1＝√(D_o ²+d_h ²)

式中：D_j1——叶轮直径，m

Do——当量直径，m

Do＝Ko*³√(Q/n)

Ko——以汽蚀为主要考虑因素系数，Ko＝5.5

d_h——轮毂中经直径，m

考虑传动轴直径和盖形螺母所需扳手空间等结构要求，轮毂的中径取值通常为：D_h＝(2～2.5)d

式中：d——传动轴径，d＝70mm

d_h＝(2～2.5)d＝(2～2.5)*70＝140～175(mm)取中值圆整后d_h＝160mm

Q——泵的流量，0.067m3/s

n——叶轮转速，n＝980～500r/min

D_j1＝Ko*³√(Q/n)＝5.5*³√(0.067/)980～500))＝0.282～0.225(m)

②按流量计算确定叶轮直径

D_j2＝√[(4*Q/πV)+d_h ²]

式中：d_h——叶轮轮毂中经直径，d_h＝0.160m

Ko——以汽蚀为主要考虑因素系数，Ko＝5.5

Q——泵的流量，Q＝0.067m3/s

n——叶轮转速，n＝980～500r/min

V——液体流速，V＝2.4m/s

D_j2＝√[(4*Q/πV)+d_h ²]＝√[(4*0.067/(π*2.4))+0.16²]＝0.248(m)

设计原则以取D_j1＝282mm和D_j2＝248mm中较大值，并圆整到标准尺寸系列，叶轮直径Dj＝290mm。

2.由结构设计确定叶轮形状和主要结构尺寸

圆锥台的中径D_h＝170mm

轮毂大头直径D_d＝190mm

轮毂小头直径D_x＝150mm

圆台中经与圆台高度比：D∶h＝170∶70

轮毂的高度h＝70mm，

(三)涡壳的主要结构设计

1、基园直径D₃：D₃＝(1.03～1.08)Dj

式中：D₃——涡壳基园直径，m

D_j——叶轮直径，D_j＝0.290m

D₃＝(1.03～1.08)*0.290＝0.2987～0.3132(m)

结论：圆整后涡壳基园取300mm。

设计结论：考虑涡壳与叶轮间距4mm，涡壳直径300mm，叶轮直径292mm。

2.隔舌安放角ψo(简称隔舌角)的确定

ψ_o＝30度

3.最大流道截面面积F_max的确定

F_max＝Q/V₃

式中：Q＝0.0675m³/s

V₃＝K₃√(2*g*H)＝0.35√(2*9.8*2.2)＝2.3(m/s)

K₃＝0.35(经验值)

g＝9.8m/s²

H＝2.2m

F_max＝0.0675/2.3＝0.02935(m²)

4、任意流道截面面积F_n的确定

F_n＝[(ψ_n-ψ_o)*F_max/(360-ψ_o)

F_n’＝K*F_n

其中修正值：K＝360/(360-3/2ψ_o)＝1.143

ψn	30	45	90	135	180	225	270	315	360
ψn	30	45	90	135	180	225	270	315	360	Fn	0	0.00133	0.00534	0.0093	0.0133	0.0173	0.0213	0.0253	0.0294
Fn’	0	0.00152	0.0061	0.0107	0.0152	0.0198	0.0244	0.029	0.0335	Fn	0	0.00133	0.00534	0.0093	0.0133	0.0173	0.0213	0.0253	0.0294

表中所取F_man’＝0.0335m²＞根据流量的计算值F_max＝0.02935m²，能在保证流量满足能力要求的前提下，按设备设计原则，留有能力提升裕量。

5.任意截面流道半径R_n的确定

R_n＝√(F_n’/π)

ψ_n	30	45	90	135	180	225	270	315	360
ψ_n	30	45	90	135	180	225	270	315	360	R_n	0	0.02203	0.04406	0.0583	0.0697	0.0794	0.0881	0.096	0.1033

6.流道中心距a的确定

a＝R₃+R_n

式中：R₃＝D/2＝300/2＝150mm

ψ_n	30	45	90	135	180	225	270	315	360
ψ_n	30	45	90	135	180	225	270	315	360	a	0.15	0.17203	0.19406	0.2083	0.2197	0.2294	0.2381	0.246	0.2533

7.流道总高度H的确定

由流道最大直径与流道高度比：D∶H＝1∶1

8.任意截面流道高度Hn的确定

由流道任意截面直径与其流道高度比：Dn∶Hn＝1∶1

9、扩散管的角度α和高度Hk确定

一般取扩散管的角度α＝8～12度，主要是以对涡壳流道不产生干涉为前提，由涡壳中心线和出口管中心的距离依照扩散管的角度确定。

当工艺配置水平向长度L＝468mm，垂直向高度Hk＝247mm，

扩散角α＝arctg(H-R_max)/L＝arctg(247-150)/468＝11.71度，

一般α值在8～12度范围内，满足要求。

(四)、其他结构尺寸

有效进液(距熔池底部)高度：h₂＝75

流道高度363mm

泵体总高H＝670mm

泵进出口水平距离468mm

泵进出口中心距528mm。

Claims

1、低扬程大比重液体输送泵，包括叶轮和涡壳，其特征在于

(一)总体方案

(1).按泵能力计算电机功率N：

No＝Q*γ*H/(102*η)(KW).................................(公式1)

式中：No——有效功率，KW

Q——泵的流量(即单管铅泵的流量，下同)，m³/s

γ——比重，kg/m³

H——扬程，m

η——综合效率，η＝0.2(经验值)

式中：N_电——电机功率，KW

K——容量富裕系数，K＝1.3

(2).泵的转速(即叶轮转速)的确定：

式中：ns——比转速，r/min

n——电机转速，r/min

G——泵的流量，m³/s

H——扬程，m

(3).按扭矩计算泵轴直径：

式中：d——泵传动轴直径，m

M——传动扭矩，N.m

Nc——电机功率，KW

n——电机转速，r/min

[τ]——泵轴许用切应力，Pa

(4).泵进、出口直径的确定

式中：V——进口流速，m/s

K——系数，K＝0.06～0.089(经验值)

Q——泵的流量，m3/s

n——电机(即叶轮)转速，r/min

η——流量容积效率，η＝0.94(经验值)

②扬铅管(即出口)的直径：D＝√(4Q/(πV)).................(公式7)

式中：Q——泵的流量，m3/s

V——出口流速，m/s

富裕系数K＝1.4；

③泵体总高度H由工艺熔池的液面和扬程就确定；

(二)、叶轮主要规格设计

(1)铅液进口的流速：

V＝K*³√(Q*n²/η).......................................................(公式9)

式中：K——系数，K＝0.06～0.08，(经验值，推荐用平均值)

Q——流量能力，m3/min

n——叶轮转速，r/min

η——流量容积效率，η＝0.94(经验值)

(2)确定叶轮直径

①按结构计算叶轮直径D_j1

式中：D_j1——叶轮直径，m

Do——当量直径，m

Do＝Ko*³√(Q/n)...................................................(公式11)

Ko——以汽蚀为主要考虑因素系数，Ko＝5.5

d_h——轮毂中经直径，

Q——泵的流量，m3/s

n——叶轮转速，r/min

②按流量计算叶轮直径

式中：d_h——叶轮轮毂直径，m

Q——泵的流量，m3/s

V——液体流速，m/s

(3)由结构设计确定叶轮形状和轮毂中径

轮毂的中径取值通常为：

式中：D_h——轮毂直径，m

d——传动轴径，m

D_h即为圆锥台的中径，即：

式中：d_h——圆锥台的中径，m

D_d——轮毂大头直径，m

D_x——轮毂小头直径，m

(4)确定轮毂的高度(即叶片与轮毂焊接高度)

圆台中经与圆台高度比：D∶h＝2.3∶1

(5)确定有效进液高度(即叶片与轮毂的高度差)

进液高度∶圆台高度＝1∶1

(三)涡壳的主要结构设计：

(1)基园直径D₃：D₃＝(1.03～1.08)D₂................................(公式16)

式中：D₃——涡壳基园直径，m

D₂——叶轮直径，m

大尺寸泵取小值，反之取大值。

(2)隔舌安放角ψo(简称隔舌角)

30--40°。

(3)最大流道截面面积的确定

F_max＝Q/V₃.......................................................(公式17)

式中：F_max——流道出口到发散管之间的断面面积，m²

V₃——流体任意截面上的平均速度，m/s

(4)任意流道截面上流量的确定

根据工业泵常规关系式有：

Q_n(ψ_n-ψ_o)*Q/360..........................................(公式18)

式中：Q_n——过流的任意角度的断面上的流量，m³/小时

ψ_n——过流的任意角度，度

ψ_o——隔舌角，度

Q——总流量，m³/小时

(5)涡壳任意断面上流体的平均速度：

V₃＝K₃√(2*g*H)................................................(公式19)

式中：K₃——速度系数，当ns＞250r/min时，取K3＝0.35(经验值)

g——常数，g＝9.8m/s²

H——扬程，m

(6)任意流道截面面积的确定

由关系式：F_n∶F_max＝ψ_n∶(360-ψ_o)................................(公式20)

由公式4、5、6统一得出：流道任意截面的面积F_n

式中：K_o——修正值，K_o＝360/(360-3/2ψ_o)...................(公式23)

(7)任意截面流道半径的确定

R_n＝√(F_n’/π)...............................................................(公式24)

(8)流道中心距的确定

a_n＝R₃+R_n...............................................................(公式25)

式中：R₃——基园半径，m。