CN101644269A - 用于海水淡化的高压离心泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于海水淡化的高压离心泵，包括壳体组件、轴(31)和泵芯，在吸入段壳体(7)的左侧设置滚动轴承箱体(3)，位于滚动轴承箱体(3)内的滚动轴承端盖(4)与滚动轴承箱体(3)围合形成润滑油腔(44)，轴(31)的前段与位于润滑油腔(44)内的角接触球轴承(28)相连；在压出段壳体(13)内设置滑动轴承(14)，轴(31)的后段与滑动轴承(14)相连；滑动轴承端盖(16)、滑动轴承(14)和压出段壳体(13)围合形成平衡腔(43)，套装在轴(31)上的平衡盘(15)位于平衡腔(43)内，平衡腔(43)通过平衡管(8)与吸入通道(41)相连通。该高压离心泵具有装拆检修方便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种多级离心泵，特别是一种用于反渗透法海水淡化装置的分段式高压多级离心泵，属于流体机械技术领域。
背景技术
淡水资源紧缺已成为全球普遍关注的问题之一。我国是一个淡水资源短缺的国家，发展海水淡化技术已成为解决这一难题的必然趋势。目前所用的海水淡化方法主要有蒸馏法和反渗透法。其中反渗透法因其设备简单、操作方便、节能等诸多优点占据了主导地位。反渗透法的原理是通过外部施加压力使海水或苦咸水通过半渗透膜，依靠溶质和溶剂分离从而得到淡水。高压泵作为反渗透装置水压系统的核心部件之一，需要为海水通过半渗透膜提供超过6MPa-12MPa的压力。在反渗透海水的淡化装置中，高压泵的电耗约占系统运行费用的35％，是影响造水成本的主要因素之一。一台高效可靠的高压泵对整个海水淡化系统至关重要。
目前用于海水淡化的高压泵主要有两种类型：柱塞泵和多级离心泵。其中柱塞泵主要用于额定流量低的情况，其效率较高，一般大于85％，但由于其结构复杂，体积庞大，在大流量场合失去其优越性。多级离心泵又有两种常见的结构：水平中开式多级离心泵和分段式多级离心泵。水平中开式多级离心泵适用于流量大于220m3/h的场合，流量越大，泵的效率越高，效率可达75％-85％，特点是轴向推力小，维护保养方便，但制造成本高。分段式多级离心泵用于中等流量，80-230m3/h，效率在65％-80％，特点是结构简单，体积小，重量轻，价格相对便宜。
分段式多级离心泵是采用叶轮、导叶、壳体配合的分段式结构，各零件的制造精度高，加工、装拆均很困难；而用于海水淡化工程的高压泵要求结构简单可靠，装拆方便。常见的高压泵采用平衡鼓和平衡盘的方式来平衡轴向力，并使用滚动轴承作为支撑，考虑到多级离心泵在结构紧凑性、机器的维修性和可靠性等方面存在不足，对其结构进行改进是非常有必要的。
此外高压泵是反渗透海水淡化中的关键设备，我国目前反渗透海水淡化产业刚刚起步，所用高压泵主要依赖进口，国内目前没有适合的产品。开发海水淡化高压泵对我国海水淡化发展具有积极的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于中等流量的海水淡化的高压离心泵，其具有结构合理可靠、装拆检修方便、效率高(可达80％)等特点。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于海水淡化的高压离心泵，包括壳体组件、轴和泵芯，壳体组件由依次相连的吸入段壳体、中间段壳体和压出段壳体组成，在吸入段壳体内设有吸入通道，在压出段壳体内设有压出通道，在中间段壳体内设置泵芯，该泵芯为多级叶轮同向布置的分段式结构，依次穿越吸入段壳体、中间段壳体和压出段壳体的轴与泵芯相连；在吸入段壳体的左侧设置滚动轴承箱体，位于滚动轴承箱体内的滚动轴承端盖与滚动轴承箱体围合形成润滑油腔，在润滑油腔内设有一对角接触球轴承，轴的前段与角接触球轴承相连；在压出段壳体内设置滑动轴承，轴的后段与滑动轴承相连，位于压出段壳体右侧的滑动轴承端盖与压出段壳体相连，滑动轴承端盖、滑动轴承和压出段壳体围合形成平衡腔，套装在轴上的平衡盘位于平衡腔内，平衡腔通过平衡管与吸入通道相连通。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的改进：在吸入段壳体和轴之间设置机械密封。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的进一步改进：润滑油腔与轴之间设置迷宫密封件。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的进一步改进：迷宫密封件包括迷宫密封I和迷宫密封II，在滚动轴承箱体与轴之间设置迷宫密封I，在滚动轴承端盖与轴之间设置迷宫密封II。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的进一步改进：在轴的两端分别设置锁紧螺母I和锁紧螺母II，角接触球轴承、滑动轴承和平衡盘均位于锁紧螺母I和锁紧螺母II之间。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的进一步改进：泵芯包括首级叶轮、至少一个的次级叶轮、前级导叶和末级导叶，首级叶轮和次级叶轮均与轴固定相连；在首级叶轮的入口端设有首级口环，在每个次级叶轮的入口端分别设有次级口环。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的进一步改进：前级导叶和末级导叶均为径向式导叶。
作为本发明的用于海水淡化的高压离心泵的进一步改进：滑动轴承为水润滑轴承。
本发明的用于海水淡化的高压离心泵，采用分段式多级离心泵结构；在分段式多级泵中，从前级叶轮流出的液体通过导叶输送到下一级叶轮；目前分段式多级泵多采用径向式导叶和流道式导叶，考虑到径向式导叶结构简单、便于加工且效率较高，因此本发明采用了径向式导叶。
本发明的用于海水淡化的高压离心泵，整体结构为卧式多级结构，由分段式多级泵和电机组成。电机通过联轴器将动力传入转子部件带动其旋转。分段式多级泵主要由转子和定子两部分组成。泵的转子部分包含叶轮(包括首级叶轮和次级叶轮)、轴、一个滑动轴承和一对滚动轴承、机械密封等零件，通过轴承座与泵体相连。泵的进出口采用径向吸入径向压出的结构，吸入和压出口的具体方位可根据管路系统进行组合。轴两端分别由锁紧螺母对轴上的旋转部件进行固定，并可配用锁紧垫片防止松动。泵的轴端密封采用可靠性高、泄漏量少的机械密封，同时由于海水中含有大量的矿物质离子，为了保持机械密封的清洁和安全运行，机械密封处安装了清洗管路。
本发明采用泵腔外的滚动轴承和泵腔内的滑动轴承配合实现支撑，平衡盘虽然可以完全平衡轴向力，但是为了结构的可靠性，在吸入侧仍然采用可承受部分轴向载荷的角接触球轴承。为了满足转速和强度要求，此处可选择性能优异的国外FAG的轴承型号。角接触球轴承一般配合使用，故在吸入侧采用一对正安装的角接触球轴承。在压出侧采用水润滑的滑动轴承，比起采用滚动轴承的传统结构，转子不需要克服滚动轴承外圈和轴承体之间比较大的摩擦力，转子轴向运动更加灵活，除了能减少机械损失外，也给轴向力平衡装置减少容积提供了条件。由于滑动轴承是用泵内的海水直接进行润滑，可以省去压出侧(即高压端)的密封，使结构变得简单，因此简化了泵体结构。
高压泵采用平衡鼓和平衡盘联合机构来平衡轴向力，将滑动轴承和平衡盘组合设计，滑动轴承放置于平衡鼓的位置，水润滑的滑动轴承基座兼做平衡鼓，可以简化结构。
泵的整体主要结构全部采用双相不锈钢。双相不锈钢具有十分优异的性能。屈服强度是普通不锈钢的2倍；在介质环境恶劣(氯离子浓度很高的海水)的条件下，抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及疲劳腐蚀性能明显优于普通不锈钢；具有良好的韧性和焊接性等。
本发明的用于海水淡化的高压离心泵，由于使用了水润滑滑动轴承，因此可以减少了一套轴封装置和轴承座，具有结构简单和装拆方便的优点。
综上所述，本发明的用于海水淡化的高压离心泵是为反渗透海水淡化装备所提供的一种新型高压泵，其能满足海水淡化工程的使用需求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明用于海水淡化的高压离心泵的剖视结构示意图；
图2是图1中的滑动轴承14和平衡盘15连接关系的放大示意图；
图3是图1中的前级导叶11的结构示意图；
其中：图A为前级导叶11的侧面剖视图，图B为前级导叶11的主视剖视图；
在图1～图3中：
1---联轴器键、2---迷宫密封I、3---滚动轴承箱体、4---滚动轴承端盖、5---紧定螺钉II、6---机械密封、7---吸入段壳体、8---平衡管、9---中间段壳体、10---次级叶轮、11---前级导叶、12---末级导叶、13---压出段壳体、14---滑动轴承、15---平衡盘、16---滑动轴承端盖、17---锁紧螺母I、18---平键II、19---轴套III、20---穿杠螺丝、21---轴套II、22---平键I、23---次级口环、24---首级叶轮、25---首级口环、26---轴套I、27---迷宫密封II、28---角接触球轴承、29---锁紧螺母II、30---紧定螺钉I、31---轴、32---滑动轴承基座、33---滑动轴承里衬、41---吸入通道、42---压出通道、43---平衡腔、44---润滑油腔、45---空腔。
具体实施方式
图1～图3结合给出了一种用于海水淡化的高压离心泵，包括壳体组件、轴31和泵芯。壳体组件由从左至右依次相连的吸入段壳体7、中间段壳体9和压出段壳体13组成，在吸入段壳体7内设有吸入通道41，在压出段壳体13内设有压出通道42；在中间段壳体9内设置泵芯，该泵芯为多级叶轮同向布置的分段式结构。穿杠螺丝20的两端分别用螺母固定在吸入段壳体7和排出段壳体13上，用于将中间段壳体9夹紧固定。
泵芯包括均位于中间段壳体9内的1个首级叶轮24和5个次级叶轮10，上述1个首级叶轮24和5个次级叶轮10从左至右依次排列，在首级叶轮24和最左端的次级叶轮10之间设置一个前级导叶11，在每2个次级叶轮10之间也分别设置一个前级导叶11，在最右端的次级叶轮10的右侧设置一个末级导叶12。从吸入通道41进入的海水在首级叶轮24的旋转做功下、依靠前级导叶11的导流进入次级叶轮10，最后依靠末级导叶12的导流从压出通道42以高压液体的形式被排出。
上述结构均同现有技术。
前级导叶11选用径向式导叶(如图3所示)，末级导叶12也选用式径向导叶。
位于吸入段壳体7左侧的滚动轴承箱体3与吸入段壳体7的外表面固定相连，因此滚动轴承箱体3位于整个壳体组件的外部。位于滚动轴承箱体3内的滚动轴承端盖4与滚动轴承箱体3的内表面密封地固定相连，从而将滚动轴承箱体3的内腔分隔成2部分；左半部分的滚动轴承箱体3与滚动轴承端盖4围合形成润滑油腔44，右半部分的滚动轴承箱体3与滚动轴承端盖4围合形成空腔45。在润滑油腔44内设有一对正安装的角接触球轴承28。
在压出段壳体13的内腔中设置滑动轴承14，该滑动轴承14为水润滑轴承，即滑动轴承14直接用海水进行润滑，这样可以省去压出侧的密封，使结构变得简单；且由于高压泵末级的水压很高，为了防止滑动轴承14的泄漏量过大，此滑动轴承14的内壁不开水槽。此滑动轴承14由2205不锈钢制成的滑动轴承基座32和由赛龙材料加工而成的滑动轴承里衬33组成，赛龙材料具有低摩擦、寿命长、超负荷能力、易于安装的优点；滑动轴承里衬33采用粘结的方法与滑动轴承基座32固定。位于压出段壳体13右侧的滑动轴承端盖16与压出段壳体13固定相连，滑动轴承端盖16、滑动轴承14和压出段壳体13围合形成平衡腔43，平衡盘15位于平衡腔43内，因此平衡盘15位于滑动轴承基座32的右侧；平衡腔43通过平衡管8与吸入通道41相连通，以平衡轴向力。
轴31的左端设有联轴器键1，实际工作时，电机通过此联轴器键1带动轴31转动。轴31的右端从左至右依次穿越润滑油腔44、一对正安装的角接触球轴承28、空腔45、吸入段壳体7内的吸入通道41、中间段壳体9内的首级叶轮24和每个次级叶轮10、位于压出段壳体13内的滑动轴承14、以及平衡盘15后位于平衡腔43内；平衡盘15与轴31为固定相连。
因此，轴31的左右两端分别由轴承支撑，轴31的左端(即前段，为吸入侧)是采用可承受部分轴向载荷的一对正安装的角接触球轴承28，轴31的右端(即后段，为压出侧)是采用了滑动轴承14。
润滑油腔44与轴31之间设置迷宫密封件，此迷宫密封件包括迷宫密封I 2和迷宫密封II 27，具体结构如下：左侧的滚动轴承箱体3与轴31之间设置迷宫密封I 2(迷宫密封I 2通过紧定螺钉I 30固定于轴31上)，此迷宫密封I 2位于润滑油腔44的外部；在滚动轴承端盖4与轴31之间设置迷宫密封II27(迷宫密封II27通过紧定螺钉II5固定于轴31上)，此迷宫密封II 27位于空腔45内。角接触球轴承28的润滑油充满于润滑油腔44中，通过迷宫密封I 2和迷宫密封II 27实现了对外界的密封。
在吸入段壳体7的外表面和轴31之间设置机械密封6，即吸入段壳体7与轴31之间的密封通过机械密封6来实现，此机械密封6位于空腔45内。由于作为输送物质的海水中含有大量的矿物质离子，为了保持机械密封6的清洁和安全运行，选用带有清洗管路的机械密封。
首级叶轮24和每个次级叶轮10均分别通过相应的平键I 22与轴31相连，因此轴31的动力能通过相应的平键I 22传递给首级叶轮24和次级叶轮10。
滑动轴承基座32通过过盈配合的方式被固定在压出段壳体13内。与滑动轴承里衬33相对应的轴31的轴段上装有轴套III19，此轴套III19通过平键II 18固定在轴31上；滑动轴承里衬33与轴套III19之间有一定间隙，形成一层水膜，起支撑和润滑的作用(而普通的滑动轴承采用油润滑，形成的是油膜)。
套装在轴31外表面的轴套I 26位于首级叶轮24的左侧，在首级叶轮24与最左端的次级叶轮10之间设有轴套II 21，以及在每2个次级叶轮10之间也分别设有一个轴套II 21，因此共有5个轴套II 21，当然，这些轴套II 21均套装在轴31的外表面。轴套I 26和所有的轴套II 21均通过过盈配合的方式与轴31实现相连。
在首级叶轮24的入口端设有首级口环25，在每个次级叶轮10的入口端设有次级口环23(因此共有5个次级口环23)；首级口环25和次级口环23用于减少介质(即海水)从出口侧向入口侧泄漏，因此起到密封的作用，同时，轴31旋转过程中形成的口环间隙液膜还对轴31起到辅助支撑作用。首级口环25和次级口环23还同时起到支撑中间段壳体9的作用。
在轴31的左右两端分别设置锁紧螺母II 29和锁紧螺母I 17，因此在水平方向上，角接触球轴承28、首级叶轮24、次级叶轮10、滑动轴承14和平衡盘15位于锁紧螺母I 17和锁紧螺母II 29之间。锁紧螺母II 29位于角接触球轴承28的左侧，依靠此锁紧螺母II 29使角接触球轴承28紧贴滚动轴承端盖4，锁紧螺母I 17位于平衡盘15的右侧并静压着平衡盘15。因此，轴31的两端分别由锁紧螺母I 17和锁紧螺母II 29对轴31上的旋转部件进行定位。平衡盘15与滑动轴承基座32之间保持一定的间隙(为水平间隙)，此间隙可根据实际流量和扬程等工况来设置，一般为0.1mm左右，例如为0.08～0.12mm。
在本发明的高压离心泵中，轴向力采用平衡鼓和平衡盘的联合机构来实现平衡，将滑动轴承基座32和平衡盘15组合设计，滑动轴承基座32放置于原放置平衡鼓的位置，从而使滑动轴承14兼做平衡鼓，这样可以达到简化结构的目的。
本发明的海水淡化的高压离心泵实际工作时，电机通过此联轴器键1带动轴31转动，1个首级叶轮24、5个次级叶轮10随轴31一起转动。从吸入通道41进入的海水在首级叶轮24的旋转做功下、依靠前级导叶11的导流依次进入每个次级叶轮10，最后依靠末级导叶12的导流从压出通道42以高压液体的形式被排出。平衡腔43通过平衡管8与吸入通道41相连通，用以平衡轴向力。
当轴向力大于平衡力时，平衡盘15连同轴31向左移动，径向间隙(平衡盘15与滑动轴承基座32之间的间隙)减小，液体通过轴向间隙和径向间隙向平衡腔43内的泄漏量减小，平衡盘15两侧的压差增大，平衡力也相应增大。反之，当平衡力大于轴向力时，平衡盘15连同轴31向右移动，径向间隙增大，泄漏量增大，平衡盘15两侧的压差减小，轴向力也减小。从而实现轴向力的自动平衡。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1、一种用于海水淡化的高压离心泵，包括壳体组件、轴(31)和泵芯，所述壳体组件由依次相连的吸入段壳体(7)、中间段壳体(9)和压出段壳体(13)组成，在吸入段壳体(7)内设有吸入通道(41)，在压出段壳体(13)内设有压出通道(42)，在中间段壳体(9)内设置泵芯，所述泵芯为多级叶轮同向布置的分段式结构，依次穿越吸入段壳体(7)、中间段壳体(9)和压出段壳体(13)的轴(31)与泵芯相连；其特征是：在吸入段壳体(7)的左侧设置滚动轴承箱体(3)，位于滚动轴承箱体(3)内的滚动轴承端盖(4)与滚动轴承箱体(3)围合形成润滑油腔(44)，在润滑油腔(44)内设有一对角接触球轴承(28)，所述轴(31)的前段与角接触球轴承(28)相连；在压出段壳体(13)内设置滑动轴承(14)，所述轴(31)的后段与滑动轴承(14)相连，位于压出段壳体(13)右侧的滑动轴承端盖(16)与压出段壳体(13)相连，所述滑动轴承端盖(16)、滑动轴承(14)和压出段壳体(13)围合形成平衡腔(43)，套装在轴(31)上的平衡盘(15)位于平衡腔(43)内，所述平衡腔(43)通过平衡管(8)与吸入通道(41)相连通。
2、根据权利要求1所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：在所述吸入段壳体(7)和轴(31)之间设置机械密封(6)。
3、根据权利要求2所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：所述润滑油腔(44)与轴(31)之间设置迷宫密封件。
4、根据权利要求3所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：所述迷宫密封件包括迷宫密封I(2)和迷宫密封II(27)，在滚动轴承箱体(3)与轴(31)之间设置迷宫密封I(2)，在滚动轴承端盖(4)与轴(31)之间设置迷宫密封II(27)。
5、根据权利要求4所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：在轴(31)的两端分别设置锁紧螺母I(17)和锁紧螺母II(29)，所述角接触球轴承(28)、滑动轴承(14)和平衡盘(15)均位于锁紧螺母I(17)和锁紧螺母II(29)之间。
6、根据权利要求5所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：所述泵芯包括首级叶轮(24)、至少一个的次级叶轮(10)、前级导叶(11)和末级导叶(12)，所述首级叶轮(24)和次级叶轮(10)均与轴(31)固定相连；在首级叶轮(24)的入口端设有首级口环(25)，在每个次级叶轮(10)的入口端分别设有次级口环(23)。
7、根据权利要求6所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：所述前级导叶(11)和末级导叶(12)均为径向式导叶。
8、根据权利要求7所述的用于海水淡化的高压离心泵，其特征是：所述滑动轴承(14)为水润滑轴承。
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