CN102705247A

CN102705247A - 一种多级矿潜泵

Info

Publication number: CN102705247A
Application number: CN2012100735047A
Authority: CN
Inventors: 陆伟刚; 李伟; 胡博; 李辉; 曹卫东; 张德胜; 蒋小平; 徐磊; 周岭; 王川; 裴冰; 徐燕
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种创新设计的多级矿潜泵，其基本结构与煤矿矿井内现有多级矿潜泵一样，电动机与水泵同轴，且电动机能够潜水工作，水泵是多级离心泵，且扬程高于300米，其主要创新是：平衡轴向力的平衡鼓采用了能够自动补偿的端面密封方式，克服了径向密封方式磨损失效的缺陷，其旋转轴的底端增加了轴承扶持，并且就地取材，采用含沙比较少的矿井水润滑轴承，克服了滑动轴承磨损失效的缺陷。其有益效果是克服了现有多级矿潜泵的缺陷，用很低的附加成本制造出轴向力平衡装置可靠、底端轴承寿命长和功率极值比较小的多级矿潜泵，从而使本发明的多级矿潜泵在市场上具有更强的竞争力。

Description

一种多级矿潜泵

所属技术领域

本发明是一种多级矿潜泵，尤其是在煤矿矿井中泵送含沙水的叶轮级数比较多、水泵扬程比较高、叶轮轴向力比较大、一般采用平衡鼓平衡轴向力的多级矿潜泵，属于通用机械产品制造技术领域。

背景技术

目前多级矿潜泵多数采用平衡鼓平衡轴向力，如图1所示。虽然现有的轴向力平衡方法有很多种，但相比之下，平衡鼓平衡轴向力的方法最简单。先有的发明专利“一种高效高压卧式多级离心泵”(ZL200710024398.2)中采用的平衡鼓加平衡盘的轴向力平衡方式也比图1所示的平衡鼓方式复杂得多。采用平衡鼓平衡轴向力的多级矿潜泵，因为结构最紧凑，生产成本最低而成为目前应用最普遍的多级矿潜泵。但是目前多级矿潜泵的平衡鼓都采用不能补偿的径向密封方式，在矿井含沙水中工作时，很容易被沙粒磨损而造成大量泄漏，使多级矿潜泵的扬程大大降低而报废。为了克服径向密封平衡鼓的不足，先有的发明专利“泵轴向力平衡装置”(ZL87100241)发明了一种端面密封的、能够自动补偿的平衡鼓方式，但这个发明在实践中发现还存在严重的技术缺陷，如果不改进是不能在多级矿潜泵中应用的。

图1所示的多级矿潜泵还有一个技术缺陷是旋转轴的底端没有轴承扶持，这会使叶轮口环和叶轮轮毂很快在含沙液体的运转中磨损损坏，虽然在有些多级矿潜泵的旋转轴底端加有轴承扶持，如ZL201020548965.1中的说明书附图2所示，但因为底端轴承的润滑液体含沙量比较大，所以轴承寿命相对较短，也是一个技术缺陷。

发明内容

为了克服现有多级矿潜泵的技术缺陷，提高多级矿潜泵的寿命，本发明提供一种创新设计的多级矿潜泵，其平衡轴向力的平衡鼓采用了能够自动补偿的端面密封方式，克服了径向密封方式磨损失效的缺陷，其旋转轴的底端增加了轴承扶持，并且就地取材，采用含沙比较少的矿井水润滑轴承，克服了滑动轴承磨损失效的缺陷。

本发明的技术方案是：

其基本结构与煤矿矿井内现有多级矿潜泵一样，电动机与水泵同轴，且电动机能够潜水工作，水泵是多级离心泵，且扬程高于300米，其主要创新是：

1.平衡转子轴向力的平衡鼓采用能够自动补偿的端面密封方式，作为平衡鼓主体的静环能够轴向移动，使不转动的静环与随旋转轴同步转动的动环始终靠在一起，其端面密封由主密封面和副密封面共同组成，主密封面外径大于平衡鼓直径，主密封面内径小于平衡鼓直径，主密封面的动环密封面和静环密封面是贴合在一起的，副密封面在主密封面的外侧，副密封面的动环密封面和静环密封面之间有间隙，副密封面间隙在0.2mm～2mm之间。

所有离心泵叶轮都会产生轴向力，高扬程的多级离心泵产生的轴向力很大。现有的多级矿潜泵大多数采用平衡鼓平衡轴向力，对于扬程高于300米的多级矿潜泵，其平衡鼓两端的压差高于3MPa，这对于径向间隙比较大的平衡鼓来说，会有很大的泄漏量，并形成高速射流。因为多级矿潜泵抽送的是含有泥沙的矿井水，很大的泄漏量会带来质地比较硬的沙粒。高速射流裹挟沙粒会使平衡鼓间隙很快磨损而加大，使泄漏量急剧增大，导致多级矿潜泵的扬程很快降低而失效。

端面密封平衡鼓与径向密封平衡鼓相同的是都有一个圆柱体阻隔高压区和低压区，这个圆柱体的直径都叫平衡鼓直径，平衡鼓直径的大小决定了轴向力平衡的多少。不同的是，径向密封平衡鼓的主体是随旋转轴同步转动的，它与不转动的末级泵体之间依靠径向间隙来实现动静过渡，这个间隙会磨损加大，因此泄漏量很大。而端面密封平衡鼓依靠动环和静环的端面摩擦来实现动静过渡，静环作为平衡鼓主体是不转动的，在它的平衡鼓直径处有静环0形圈保证此处不泄漏，平衡鼓的另一半作为动环随旋转轴同步转动，动环与静环的密封间隙几乎等于零，因此其泄漏量很小。在密封面磨损后，静环还能够轴向移动，使动环与静环的密封面继续贴合在一起，这就是端面密封平衡鼓的自动补偿功能。

端面密封平衡鼓的优越性在上世纪80年代就被发现了，虽然至今没有在多级矿潜泵中使用，但已经作为发明专利(ZL87100241)在井用潜水泵中试用过，先有的端面密封平衡鼓都只有主密封面而没有本发明在主密封面外侧增加的副密封面。没有副密封面的端面密封平衡鼓是很难设计的，不是密封面的比压太大把密封面损坏就是密封面的比压太小而在运行中密封面被高压液体推开，而且一旦推开，就会造成大量泄漏而使平衡鼓完全失效，这个缺陷导致ZL87100241一直未能推广开来。

增加了副密封面的本发明有效地克服了这个缺陷。由于端面密封平衡鼓在少量泄漏的情况下，也能平衡轴向力，所以与一般机械密封相比，其密封面的比压应该比较小，这可以大大延长主密封面的寿命。但主密封面的少量泄漏会增加主密封面上的推开力，当水泵工况的不稳定性导致泄漏量增加时，其密封面上的推开力就会增加，而推开力增加又会使泄漏量增加，推开力与泄漏量的恶性循环就会导致主密封面被高压液体推开。但增加副密封面之后，就可以在主密封面泄漏增加的时候，使副密封面的压紧力提高，合理的设计可以使泄漏量增加时，副密封面的压紧力增加量大于主密封面推开力的增加量，从而阻止密封面被推开。

副密封面间隙不能太大也不能太小，如果大于2mm，则其灵敏度太低，会失去副密封面的压紧力调节作用，如果小于0.2mm，则影响使用寿命，当主密封面磨损后，就会比压太大而使端面密封平衡鼓很快磨损失效。

2.本发明的另一个创新是水泵下部有一个包括进水导叶和液体储存室的轴承座，扶持旋转轴底端的滑动轴承，滑动轴承的润滑液体来源于轴承座下部的液体储存室，液体储存室的液体来源于进水导叶上部含沙量比较小的液体，进水导叶上部有一个导叶进水窗与液体储存室之间通过进水导叶轴向通孔连通。

多级矿潜泵的叶轮级数比较多、泵轴比较长，一般都需要滑动轴承来辅助扶持转子，现有的多级矿潜泵多数依靠叶轮口环和叶轮轮毂作为滑动轴承来扶持转子，但这两处的材料一般都不适宜作为轴承使用，而且这两处的直径比较大，线速度比较高，在矿井的含沙水中运转，很容易磨损损坏。ZL201020548965.1提出了在旋转轴底端安装硬质合金三组合径向滑动轴承，但旋转轴底端是含沙量最大的地方，即使是硬质合金也容易磨损损坏。已经公开的发明专利申请“矿潜泵的一种硬质合金滑动轴承引水冷却润滑系统”(201010591094.6)提出了在水池表层引水润滑旋转轴底端的滑动轴承，这虽然能够解决问题，但实施起来太复杂了，包装、运输和安装都给用户增加了麻烦。本发明巧妙地利用液体在导叶中流速比较低的地方，硬质沙粒容易沉降在下部的情况，把导叶上部含沙量比较少的液体先引入液体储存室，再把一部分泥沙沉淀在储存室底部，从而使润滑底端轴承的液体含沙量更少，保证了轴承的使用寿命大大提高。

3.本发明的另一个创新是水泵下部的进水导叶进口安放角为90度，进水导叶出口安放角为10度～20度。

这是一个在多级矿潜泵的水泵下部有一个包括进水导叶的轴承座的前提下的技术创新，进水导叶进口安放角为90度的情况下，导叶进口的过流面积比较大，流速比较低，含沙水中的沙粒容易沉淀，而进水导叶出口安放角为10度～20度，可以使叶轮进口的液流有圆周速度，这可以降低多级矿潜泵在大流量工况下的功率。由于多级矿潜泵绝大多数是低比转数离心泵，降低其大流量工况下的功率就是降低其极大功率，从而保证多级矿潜泵在全部扬程工况下安全运行。

本发明的有益效果是克服了现有多级矿潜泵的缺陷，用很低的附加成本制造出轴向力平衡装置可靠、底端轴承寿命长和功率极值比较小的多级矿潜泵，从而使本发明的多级矿潜泵在市场上具有更强的竞争力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有多级矿潜泵的简图；

图2是实施本发明的多级矿潜泵简图；

图3是图2中端面密封平衡鼓放大的简图；

图4是图3中静环的二视图；

图5是现有端面密封平衡鼓(没有副密封面的)静环的二视图；

图6是图2中包括进水导叶的轴承座的二视图。

图中：1.低压室，2.末级泵体，3.静环止转销，4.平衡鼓直径，5.静环弹簧，6.静环O形圈，7.静环泄压槽，8.静环，9.主密封面，10.动环，11.末级叶轮，12.末级叶轮背叶片，13.液体储存室，14.轴承座，15.进水导叶轴向通孔，16.导叶进水窗，17.进水导叶，18.滑动轴承，19.旋转轴底端，20.旋转轴，21.末级泵体泄压孔，22.副密封面间隙，23.径向间隙，24.主密封面内径，25.主密封面外径，26.副密封面外径，27.副密封面，28.向心推力球轴承，29.首级叶轮进口，30.进水导叶出口安放角，31.进水导叶进口安放角。

具体实施方式

图2所示的本发明实施例是BQW10-300/5-37型多级矿潜泵，其基本结构与煤矿矿井内现有多级矿潜泵一样，电动机与水泵同轴，且电动机能够潜水工作，水泵是多级离心泵，有5级叶轮，扬程能够达到300米，它与现有多级矿潜泵不同的主要创新是：平衡转子轴向力的平衡鼓采用能够自动补偿的端面密封方式。图3和图4对本发明的端面密封方式做了更清楚的表达，作为平衡鼓主体的静环8能够轴向移动，使不转动的静环8与随旋转轴20同步转动的动环10始终靠在一起，其端面密封由主密封面9和副密封面27共同组成，主密封面外径25大于平衡鼓直径4，主密封面内径24小于平衡鼓直径4，主密封面9的动环密封面和静环密封面是贴合在一起的，副密封面27在主密封面9的外侧，副密封面27的动环密封面和静环密封面之间有间隙，副密封面间隙22在0.2mm～2mm之间。

如果它采用图1所示的径向密封平衡鼓平衡轴向力，则在径向间隙23处会有很大的泄漏量，更为严重的是泄漏液体会带来泥沙，使径向间隙23很快磨损，间隙越来越大，泄漏量也越来越大，会导致水泵扬程达不到300米而不能胜任工作。图2的实施例采用了端面密封平衡鼓，就克服了这个缺陷。

端面密封平衡鼓与径向密封平衡鼓相同的是都利用一个圆柱体两个端面的压力差来平衡轴向力，这个圆柱体的直径都叫平衡鼓直径4，平衡鼓直径4的大小决定了轴向力平衡的多少，无论哪种平衡鼓都不能完全平衡轴向力，所以需要向心推力球轴承28来承担剩余轴向力。高压区的压力是由水泵扬程决定的，低压区的压力就是进水池的大气压或水位压力。端面密封平衡鼓下端的压力和外侧的压力等于高压区的压力，端面密封平衡鼓上端的压力和内侧的压力通过静环泄压槽7、低压室1和末级泵体泄压孔21与进水池连通等于低压区的压力，这与径向密封平衡鼓也基本相同。

端面密封平衡鼓与径向密封平衡鼓不同的是，径向密封平衡鼓的主体是随旋转轴20同步转动的，它与不转动的末级泵体2之间依靠径向间隙23来实现动静过渡，这个间隙会磨损加大，因此泄漏量很大。而端面密封平衡鼓依靠动环10和静环8的端面摩擦来实现动静过渡，静环8作为端面密封平衡鼓主体是不转动的，在它的平衡鼓直径4处有静环O形圈6保证此处不泄漏，端面密封平衡鼓的另一半作为动环10随旋转轴20同步转动，动环10与静环8的密封间隙几乎等于零，因此其泄漏量很小。在密封面磨损后，静环8还能够轴向移动，使动环10与静环8的密封面继续贴合在一起，这就是端面密封平衡鼓的自动补偿功能，阻止静环8转动的静环止转销3不会阻止静环8的轴向移动，而静环弹簧5保证了没有压力差的情况下也能使动环10与静环8的密封面贴合在一起。

端面密封平衡鼓的优越性在上世纪80年代就被发现了，虽然至今没有在多级矿潜泵中使用，但已经作为发明专利(ZL87100241)在井用潜水泵中试用过，先有的端面密封平衡鼓都只有主密封面9而没有本发明在主密封面外侧增加的副密封面27。没有副密封面27的端面密封平衡鼓如图5所示，是很难设计的，不是密封面的比压太大把密封面损坏就是密封面的比压太小而在运行中密封面被高压液体推开，而且一旦推开，就会造成大量泄漏而使平衡鼓完全失效，这个缺陷导致ZL87100241一直未能推广开来。

增加了副密封面27的本发明有效地克服了这个缺陷。由于端面密封平衡鼓在少量泄漏的情况下，也能平衡轴向力，所以与一般机械密封相比，其密封面的比压应该比较小，这可以大大延长主密封面9的寿命。但主密封面9的少量泄漏会增加主密封面9上的推开力，当水泵工况的不稳定性导致泄漏量增加时，其密封面上的推开力还会增加，而推开力与泄漏量的恶性循环，主密封面9难免被高压液体推开。但增加副密封面27之后，就可以在主密封面9泄漏增加的时候，使两个密封面的压紧力提高量大于推开力的提高量，从而阻止密封面被推开。本实施例的平衡鼓直径4为80mm，主密封面外径25为88mm，主密封面内径24为72mm，副密封面外径26为110mm，以扬程300米作用在平衡鼓上的压力计算，假设弹簧压力为10kg，主密封面9完全不泄漏，动反系数为0.5，则主密封面9上的作用力为25kg，比压为1.25kg/cm²，显然比压很小，主密封面9不容易损坏。再假设弹簧压力为10kg，主密封面9有少量泄漏，动反系数达到0.54，则主密封面9上的作用力为0.95kg，比压为0.05kg/cm²，显然主密封面9还有可能维持贴合。再假设弹簧压力为10kg，主密封面9有比较大的泄漏，动反系数大于0.55，则主密封面9上的作用力为负值，即推开力大于压紧力，主密封面9就会被推开，这就是ZL87100241的缺陷。但有了本发明的副密封面27，这个问题就解决了，当主密封面9有泄漏的时候，副密封面27上的压力就会降低，其压紧力就会增加，假设主密封面9有少量泄漏，动反系数达到0.6，此时副密封面27上的动反系数会小于1但大于主密封面9的动反系数0.6，假设密封面上综合动反系数为0.7，则密封面上的作用力有212kg，比压为3.9kg/cm²，这可以保证密封面不被进一步推开，同时因为此时密封面的作用力是作用在泄漏液体上的，所以只要泄漏液体内含沙量小，密封面的寿命还是会比较长的。由于端面密封的泄漏间隙远远小于径向密封的径向间隙23，以及端面密封平衡鼓的自动补偿能力，其泄漏量远远小于径向密封平衡鼓，所以沙粒从低处通过末级叶轮背叶片12到高处的密封面是很难的。

当主密封面9无泄漏的时候，由于副密封面间隙22内的液体只和高压区相通而与低压区完全不通，所以副密封面27上的压力等于作用在平衡鼓上的压力，即动反系数等于1，所以作用在主密封面9上的比压仍为1.25kg/cm²。

图2所示本发明实施例的另一个创新是：水泵下部有一个包括进水导叶17和液体储存室13的轴承座14，扶持旋转轴底端19的滑动轴承18，滑动轴承18的润滑液体来源于轴承座14下部的液体储存室13，液体储存室13的液体来源于进水导叶17上部含沙量比较小的液体，即进水导叶17上部有一个导叶进水窗16与液体储存室13之间通过进水导叶轴向通孔15连通。

多级矿潜泵的叶轮级数比较多、泵轴比较长，一般都需要滑动轴承来辅助扶持转子，像图1那样的多级矿潜泵依靠叶轮口环和叶轮轮毂作为滑动轴承来扶持转子是很容易磨损损坏的。ZL201020548965.1提出了在旋转轴底端安装硬质合金三组合径向滑动轴承，但旋转轴底端19是含沙量最大的地方，即使是硬质合金也容易磨损损坏。已经公开的发明专利申请“矿潜泵的一种硬质合金滑动轴承引水冷却润滑系统”(201010591094.6)提出了在水池表层引水润滑旋转轴底端的滑动轴承，这虽然能够解决问题，但实施起来太复杂了，包装、运输和安装都给用户增加了麻烦。本发明巧妙地利用液体在导叶中流速比较低的地方，硬质沙粒容易沉降在下部的情况，把导叶上部含沙量比较少的液体先引入液体储存室13，再把一部分泥沙沉淀在储存室底部，从而使润滑底端轴承的液体含沙量更少，保证了轴承的使用寿命大大延长。

从图6可以更清楚的看到这个情况，在导叶进水窗16处的过流面积比导叶出口和叶轮进口的面积大得多，大约是0.025m²，在额定流量10m³/h的平均流速只有0.1m/s，实际导叶进水窗16处的流速还低于这个数，因此质量较大的沙粒是很难进入导叶进水窗16的，只有煤粉等轻质颗粒会随液体进入导叶进水窗16，再通过进水导叶轴向通孔15进入液体储存室13，由于液体储存室13内的流速更低，又会有一些沙粒沉淀，因此润滑滑动轴承18的液体对滑动轴承18的磨损就很轻微了。由于首级叶轮进口29的压力最低，所以液体储存室13内的液体会通过滑动轴承18流进首级叶轮进口29，对滑动轴承18起到了良好的润滑和冷却作用。

图2所示本发明实施例的另一个创新是：水泵下部的进水导叶进口安放角31为90度，进水导叶出口安放角30为10度～20度。

这从图6可以看得更清楚。这是一个在多级矿潜泵的水泵下部有一个包括进水导叶17的轴承座14的前提下的技术创新，进水导叶进口安放角为90度的情况下，导叶进口的过流面积比较大，流速比较低，含沙水中的沙粒容易沉淀，而进水导叶出口安放角为10度～20度，可以使叶轮进口的液流有圆周速度，这可以降低多级矿潜泵在大流量工况下的功率。由于多级矿潜泵绝大多数是低比转数离心泵，降低其大流量工况下的功率就是降低其极大功率，从而保证多级矿潜泵在全部扬程工况下安全运行。

Claims

1.一种多级矿潜泵，其电动机与水泵同轴，且电动机能够潜水工作，其水泵是多级离心泵，且扬程高于300米，其特征是：平衡转子轴向力的平衡鼓采用能够自动补偿的端面密封方式，作为平衡鼓主体的静环能够轴向移动，使不转动的静环与随旋转轴同步转动的动环始终靠在一起，其端面密封由主密封面和副密封面共同组成，主密封面外径大于平衡鼓直径，主密封面内径小于平衡鼓直径，主密封面的动环密封面和静环密封面是贴合在一起的，副密封面在主密封面的外侧，副密封面的动环密封面和静环密封面之间有间隙，副密封面间隙在0.2mm～2mm之间。

2.根据权利要求1所述的一种多级矿潜泵，其特征是：水泵下部有一个包括进水导叶和液体储存室的轴承座，扶持旋转轴底端的滑动轴承，滑动轴承的润滑液体来源于轴承座下部的液体储存室，液体储存室的液体来源于进水导叶上部含沙量比较小的液体，进水导叶上部有一个导叶进水窗与液体储存室之间通过进水导叶轴向通孔连通。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种多级矿潜泵，其特征是：水泵下部的进水导叶进口安放角为90度，进水导叶出口安放角为10度～20度。