CN88101527A - 抽送含硬磨粒的液体的离心泵 - Google Patents

Abstract

在抽送含固体磨粒的液体离心泵泵体中，过流部分(3)由位于被抽入液流前后的泵体(1)的两个侧壁(7和8)和与前后壁(7和8)相连的壳体的周壁(9)构成的压水室(4)以及设置在上述泵体(1)中的工作轮(6)的流道(5)形成，泵体(1)周壁(9)的几何形状应考虑硬磨粒在泵的过流部分(3)中的分布规律。

Description

本发明涉及泵制造领域，更准确地说是涉及用于抽送含硬磨粒的液体的离心泵。

本发明可以在采矿工业部门、矿产加工工业部门和热电站非常有效地用于抽送矿渣。

当前，由于世界对原料的需求增多，原料加工量增大以及有效成份含量低、杂质含量高的原料工业生产的刺激，强烈要求在作业线上提高离心泵中受到被抽送液体液流中的磨粒破坏作用的过流部分的寿命。由于离心力场的作用，导致工作轮流道中硬磨粒的分离，从而引起后盘内表面、叶片表面和压水室周壁剧烈的不均匀的磨损。

泵制造业中的一些主要公司，如“Warman”、“Worthington”、“Humboldt”以及其它一些公司，力图依靠采用新的耐磨材料和改进过流部分零件的制造工艺来提高所生产的离心泵的寿命。但是，上述流派的工作是博而不精的，所以泵的寿命提高不超过30～50%。

在苏联，解决提高抽送含硬磨粒杂质的离心泵的寿命的任务是依靠采用新的耐磨材料和改进过流部分零件的制造工艺及改变流道的几何形状。例如，已知的抽送含硬磨粒杂质的液体的离心泵工作轮（SU-A-769095）就是其中一例。“Serlachius”公司对装有这种公知工作轮的离心泵的运转实验表明，其工作轮的寿命与该公司制造的工作轮相比提高了二倍。

在抽送寒武岩矿浆（Keuδepwtokao    nynbna）时，按SU-A-769095制造的工作轮的寿命比大批制造的具有传统几何形状的工作轮高1～1.5倍以上，在抽送铁矿矿浆时，工作轮寿命提高3.5倍。

值得注意的是“Warman”公司的结构设计是恰当的改变传统的工作轮过流部分和压水室的几何形状。

公知的抽送含硬磨粒杂质的液体的离心泵有SU-A-2528116。

在公知的泵的结构中，过流部分由布置在泵体中的工作轮流道和压水室组成。工作轮包括悬臂装在传动轴上的后盘，工作叶片用自身的一个侧边固定在后盘上;叶片的另一侧边则固定在前盘上。压水室由进入的液流前后的两侧壁和与前后壁相连的周壁形成。在泵体子午截面内的周壁有二个曲线段，其中每条曲线都与位于压水室周壁中间部分的直线段相连。曲线段是蜗室的投影并与压水室相应的前后壁相连。工作轮的后盘和前盘相应地与压水室的前后壁方向一致。工作轮每个叶片的出口边由向压水室周壁的直线段部分转向的带凹度的曲线构成。

泵的上述结构方案，能保证含磨粒杂质的液流具有这样的流动特性：液体在压水室运动时水力能损失减小，从而提高泵的效率。

然而泵过流部分的这种结构方案的应用范围仅限于抽送含细小分散磨粒的水混合物。采用公知的泵抽送2毫米以上的含硬磨粒杂质的液体时，由于压水室周壁的剧烈磨损，压水室寿命变得非常低。在抽送含大颗粒硬磨粒杂质的液体时，当它们进入压水室后壁区的蜗室时就在其中积聚，由于与压水室壁的剧烈磨擦，导致压水室壳体表面局部损坏。

本发明的任务是创造这样一种结构的泵，在这种泵中，被抽送液体中所含硬磨粒尺寸在很大范围内变化时，借助改变压水室周壁的几何形状，可显著提高离心泵的寿命。

所提出的任务是这样解决的：在抽送含硬磨粒杂质的液体的离心泵中，泵的过流部分是由位于被抽送液体的进入液流前后的泵体的两个侧壁和与前后壁相连的周壁形成的压水室，和工作轮中的流道组成的，所述工作轮是由安装在传动轴上的其上固定有多个叶片的后盘和固定在上述叶片上的前盘组成，泵体周壁的几何形状须考虑硬磨粒在泵的过流部分中的分布规律。

泵体子午截面内的周壁向泵体后壁倾斜，并与工作轮的轴线成锐角尤为合理。

泵体周壁的这种几何形状保证增加了周壁同硬磨粒表面接触的额定面积，这就降低了硬磨粒在周壁单位面积上的密度，并使磨粒比较均匀地沿该壁的表面分布。此外，泵体周壁的这种几何形状还增加了泵体剧烈磨损区内的壁厚。

作成具有向泵壳后壁倾斜的与工作轮轴线成锐角的斜面的泵体周壁是以硬磨粒在压水室中的运动特性和磨粒同周壁相互接触作用为依据的，而这种相互作用又是由工作轮流道中被抽送液体中的硬磨粒的分布规律决定的。硬磨粒的这种分布规律是由于进入工作轮流道中的硬磨粒是沿不同于被抽送液体的流线的抛物线运动的，这是由作用在硬磨粒和液流上的离心力场决定的，因为进入工作轮流道时它们具有不同的惯性力。磨粒按本身的大小不同占据不同的工作轮流道空间，较粗磨粒占据靠近后盘表面的区域，而较细磨粒则占据离后盘表面较远的区域。

因此，根据上文所述可以创造出多种泵，其中每一种泵的泵体周壁的几何形状最好考虑其工作条件：被抽送液体中硬磨粒的尺寸、密度，以及液体的密度等。

周壁斜面的推荐角度按下列公式确定：

α＝ (π)/2 -arctg (θ（θ＋δ＋a))/(f_O·S_O)

式中：θ-工作轮流道内的硬磨粒层在其子午截面内的宽度;

a-后盘的厚度0.02-0.085（米）;

δ-后盘和压水室壳体后壁之间的间隙值0.001-0.005（米）;

f_o-压水室断面积0.00345-0.1828（米²）;

s_o-被抽吸液体中硬磨粒的体积浓度，0.35以下;

f_os_o-硬磨粒占据的压水室断面积部分;

θ＝b〔1-0.6u·v^-1 $\sqrt{\mathrm{d\; ·D}{}^{\mathrm{-1}}{\mathrm{(\; \rho }}_S\mathrm{-\rho }{}_e\mathrm{)\; ·\; \rho }{}^{\mathrm{-1}}}$ 〕

式中：b-工作轮在其子午截面内的流道宽度0.04-0.3（米）;

u-入口处工作轮圆周速度7.5-14.7（米/秒）;

v-被抽送的含硬磨粒的液体的平均流速3.8-6.9（米/秒）;

d-磨粒的平均尺寸，0.02（米）以下;

D-入口处工作轮直径0.10-0.77（米）;

ρ_s-磨粒密度，4500（公斤/米³）以下;

ρ_e-液体密度1000（公斤/米³）。

分析上述公式可以看出：抽送含较粗硬磨粒的液体时，或被抽送液体中硬磨粒浓度较大的液体时，以及存在较高密度的磨粒时，泵体周壁斜面对工作轮纵轴线的倾角α增大。

最好预先这样确定泵体中工作轮后盘与泵体后壁相对的表面上的主排粒叶片：使垂直于泵轴的截面内的两个相邻主排粒叶片中的一个有一段叶片布置在后盘中心部分与工作轮叶片入口边部分重合;另一主排粒叶片有一段叶片布置在后盘的圆周并与同一工作轮叶片的出口边部分重合，在这种情况下，每个排粒叶片的出口角介于约60°至约90°之间。

这里和以下所称的排粒叶片出口角指的是排粒叶片中心线与后盘外圆与叶片中心线交点处后盘外圆的方向与工作轮圆周速度向量相反的切线之间的夹角。

工作轮后盘的这种结构方案防止了硬磨粒落入传动轴的密封件内，因为进入排粒叶片端面和泵体后壁之间的间隙内的硬磨粒同排粒叶片相遇，在离心力场的作用下被抛至泵体高压区。其次，因为相邻主排粒叶片中的一个有一段叶片与工作轮叶片进口边部分重合，另一主排粒叶片有一段叶片与同一工作轮叶片出口边部分重合，这就增加了后盘受到最剧烈磨损处的厚度。主排粒叶片出口角的变化范围这样确定：要求用这些叶片保证复盖位于工作轮叶片进口边和出口边区域内的工作轮后盘大部分表面，以防止磨粒破坏作用最剧烈的工作轮流道大面积受到在后盘上呈穿孔形式的局部破坏。

这就将工作轮的寿命提高了一倍以上。

为在工作轮后盘上主排粒叶片之间设置辅助排粒叶片，则必须至少有一个辅助排粒叶片设置在上述两个相邻的主排粒叶片之间，且其出口角应等于主排粒叶片的出口角。因为这种泵的运转实践表明，当排粒叶片的数量多、出口角大时，排粒叶片以及后壁的磨损较小，而排粒叶片端面和泵体后壁之间足够大的间隙并不影响排粒叶片产生的压力值。在泵的运转过程中保持排粒叶片所产生的压力固定不变能防止被抽送的含硬磨粒杂质的液体从压水室流向传动轴的密封件，从而保护了密封件免受损坏，提高了泵的寿命。

若希望在离心泵的泵体中与泵体前壁相对的工作轮前盘表面上设置排粒叶片，那么每个排粒叶片的出口角应等于主排粒叶片的出口角，而排粒叶片的数量应等于工作轮后盘上的主排粒叶片和辅助排粒叶片之和。

在前盘装有大量排粒叶片、每个叶片的出口角范围在约60°至90°之间的这种结构方案的情况下，排粒叶片和压水室前壁的磨损最小，排粒叶片产生的压力值在排粒叶片端面和泵体前壁之间的间隙相当大时也保持固定不变，从而使泵在运转过程中泵内的液体容积漏损减至最低限度。

所有这些都保证了在泵的整个工作期间液体的容积漏损保持在最低水平上，其结果是获得了稳定的泵的扬程特性。

因为工作轮和泵体是由高硬度材料制成的，所以排粒叶片的端面和泵体壁不能进行机械加工。泵的过流部分在排粒叶片端面和泵体壁之间允许有足够大的装配间隙，因而降低了制造泵的劳动量，这是由于在工作轮后盘和前盘上安装了大量的具有大出口角的排粒叶片，消除了这些间隙对排粒叶片扬程特性的影响的缘故。

按照本发明制造的离心泵，在抽送具有水混合物密度为1200公斤/米³、体积浓度为S_o＝0.125、硬磨粒粒度为50毫米（d＝15.9毫米）以下的寒武岩矿石选矿产品的液体时，泵体寿命为750小时。

按照本发明制造的安装在铜矿精选厂的离心泵在抽送具有水混合物密度为1500公斤/米³、体积浓度为S_o＝0.2、硬磨粒粒度为1.0毫米（d＝0.385毫米）以下的第一次粉碎的矿料时，泵体寿命为926小时。

“Serlachius”公司制造的L-P-N200/480型离心泵在上述条件下运转，其泵体寿命为402小时。

本发明的其它目的和优点，阅读了下面的具体实施例及其附图后，将变得更加清楚。其中：

图1是本发明离心泵的轴侧示意图，其中泵体沿水平面作了剖视，工作轮沿水平面和垂直面作了剖视;

图2是本发明泵的过流部分外形放大图;

图3是本发明泵的工作轮后盘，其主排粒叶片向后盘圆周扩大;

图4是本发明泵的工作轮前盘放大图;

图5是本发明泵的带有辅助排粒叶片的工作轮后盘方案图;

图6是本发明泵的工作轮后盘放大图。

依据本发明制造的离心泵，在铜矿精选厂用于抽送第一破碎阶段的矿石原料，它具有带吸入管2的泵体1（图1）。泵的过流部分3（图2）由半蜗壳压水室4和装在上述泵体1中的工作轮6的流道5组成。压水室4由位于进入液流前后的泵体1的两个侧壁7、8和与前后壁7、8相连的周壁9形成。工作轮6悬臂地安装在传动轴10上（图1），它由其上固定有叶片12的后盘11和固定在上述叶片上的前盘13组成。泵体1的周壁9的几何形状应考虑硬磨粒在泵过流部分3（图2）中的分布规律。泵体1子午截面内的周壁9向泵体的后壁8倾斜，并与工作轮6的轴线形成锐角α。角α由下列关系式确定：

α＝ (π)/2 -arctg (θ（θ＋δ＋a))/(f_O·S_O)

式中：θ-工作轮6的子午截面内的流道5中的硬磨粒层的宽度;

a-带排粒叶片的后盘11厚度0.034（米）;

δ-后盘11和泵体1的后壁8之间的间隙值0.0025（米）。

f_o-压水室4的截面积0.008（米²）;

S_o-被泵送液体中的硬磨粒的体积浓度0.2;

f_o·S_o-硬磨粒占据压水室4的截面面积部分;

θ＝b〔1-0.6μ·ν^-1 $\sqrt{d\·D^{-1}(p_s-p_t){p_{\mathrm{\ϵ}}}^{-1}}$ 〕

式中：μ-工作轮6入口处的圆周速度10.1（米/秒）;

b-工作轮6在其子午截面内的流道5的宽度0.065（米）;

ν-被抽送的带有硬磨粒的液体的平均流速5.0（米/秒）;

d-磨粒平均直径0.000385（米）;

D-工作轮6入口处的直径0.20（米）;

ρ_s-磨粒密度4000（公斤/米³）;

ρ_e-液体密度1000（公斤/米³）;

将上述数值代入，得θ＝0.058，α＝16°。

在工作轮6后盘11（图3）面向泵体1后壁8的表面上应这样设置主排粒叶片14：使得在垂直泵轴线的截面内，两个相邻排粒叶片14中的一个叶片具有区段15，该区段位于后盘11的中心部分，并与工作轮6上的叶片12的进口边12a部分重合;而另一主排粒叶片14具有区段16，该区段位于后盘11的圆周部分，并与工作轮6上的同一叶片12的出口边12b部分重合。每个排粒叶片的出口角β_＊等于67°。在泵送含细小磨粒液体的情况下，当后盘11和前盘13在周边产生破坏时排粒叶片14向后盘11的圆周方向加宽。这种形状的排粒叶片14使工作轮6的圆盘11、13的大面积表面得到了保护。在后盘11上的主排粒叶片14之间配置有辅助排粒叶片17。每两个相邻的主排粒叶片14之间配置一个辅助排粒叶片17，其出口角β^′ _＊等于主排粒叶片的出口角β_＊。前盘13面向泵体1前壁7的表面上也设有排粒叶片18（图4）。每个排粒叶片18的出口角β^″ _＊等于主排粒叶片14的出口角β_＊（图3），叶片的数量等于后盘11上的主排粒叶片14和辅助排粒叶片17之和。

泵体1（图1）固定在托架19上，托架19是安装在机架（未绘出）上的支架20的一部分。支架20内装有传动轴10的密封件21，传动轴包在护套22内，护套上装填密的填料23、液封环24和隔环25。传动轴10借助可拆卸的连接件与衬套26相连接，衬套26由硬度不高的钢制成并刚性地同工作轮6的轮毂27相连。通过液封环24输入加压清水，其压力可防止硬磨粒进入填密的填料23，水则用于冷却填密的填料23。

本发明的离心泵按下述方式工作。当工作轮6的轴10（图1）转动时，在工作轮的入口处形成负压区，被抽送的含硬磨粒的液体通过吸入管2进入工作轮6的流道5。进入流道5的硬微粒沿不同于被吸入液体流线的抛物线运动，这是由于作用在硬微粒和液流上的离心力场引起的，因为他们具有不同的惯性力。视微粒本身尺寸的大小不同，它们占据工作轮6流道5的不同空间（图2），较大颗粒占据靠近后盘11的表面的区域;而较小颗粒则占据离后盘11较远的区域。

然后，含硬磨粒的液体从流道5进入压水室4，硬微粒占据了压水室的部分空间。硬磨粒占据压水室4的横截面积等于数值f_o·S_o。将泵体1的周壁7（图2）制成具有向泵体后壁8倾斜的斜面，该斜面同工作轮6的轴线之间的夹角为锐角α＝16°，以增加压水室壁同硬磨粒表面相接触的额定面积，以降低周壁9单位面积上的硬颗粒密度，并保证微粒沿该壁的表面分布比较均匀。泵体1周壁9的这种几何形状增加了剧烈磨损区域壁9的厚度。

含硬磨粒的液体在压力作用下从压水室4进入扬水管（图中未示出），而后沿导管送给用户。

在压水室4的高压区附近，含硬磨粒的部分液体力图向低压区泄漏，即向转动轴10的密封件21和向被吸入工作轮6的液流入口区泄漏。

进入排粒叶片18的端面（图4）和工作轮6前盘13与前壁7（图4）之间的间隙28中的硬磨粒，在离心力场的作用下被抛至压水室4的高压区。因为前盘13上装有很多排粒叶片18，例如装有16个叶片，每个叶片的出口角为β^″ _＊，例如为67°，所以叶片18本身和泵体1的前壁7的磨损是最小的，因此保证了吸入工作轮6的液流入口处上述前盘13的端面和泵体的前壁7之间的间隙28a保持不变，这就使得泵在运转过程中泵的液体容积漏损减至最低限度。进入排粒叶片14、17（图3）的端面和泵体1的后壁8（图1）之间的硬磨粒与排粒叶片14和17（图3）相遇，在离心力场的作用下被抛至压水室4（图1）的高压区，因而防止了硬磨粒落入传动轴10的密封件21。硬磨粒在工作轮6的流道5中运动时，根据其粒度大小，后盘11（图3）的磨损位置或者位于工作轮6叶片12入口边12a的中部;或者位于工作轮叶片出口边12b外缘部分。硬磨粒引起后盘11的局部磨损后，会遇到主排粒叶片14本体的阻挡。主排粒叶片18的数量等于8、出口角β_＊等于67°，能保证复盖工作轮6入口12a和出口12b边缘部分后盘11的大部分表面，从而保护了工作轮大部分流道表面（图1）免受剧烈磨损。因为后盘11（图3）装有16个大出口角β_＊和β^′ _＊的排粒叶片14和17，所以叶片14、17本身和泵体1的后壁8（图1）的磨损是最小的，从而保证了排粒叶片端面与后壁8之间的间隙29固定不变。保持上述间隙29固定不变可使作用在泵轴承座上的轴向液动力不变。

按照离心泵流道3（图2）的这种结构方案，被泵送液体的容积泄漏是最低的。在泵的整个工作过程中压水室4内的水力损失也没有明显变化。其结果表现为泵具有稳定的扬程特性。

如果泵的工作轮6C（图5）的叶片12C的数目较少，例如3个叶片，为了保证后盘11上的排粒叶片14C、17C和前盘上的排粒叶片（图中未示出）的磨损最小并简化泵的装配，在每对主排粒叶片14C之间必须安装两个辅助排粒叶片17C。

因为排粒叶片周边的磨损不明显，所以在抽送含粗磨粒的液体时，采用直的主排粒叶片30（图6）和辅助排粒叶片31是适宜的。

在用于抽送具有水混合物密度为1420公斤/米³、体积浓度为S_o＝0.14、绝大多数磨粒的粒度d小于0.045毫米的铁矿精选产品的离心泵中，按本发明制造泵体、采用按SU-A-76909专利制造的工作轮和按本发明制造的排粒叶片，其过流部分的寿命达12000-15000小时。

Claims (6)

1、一种抽送含固体磨粒的液体的离心泵，泵体(1)中的过流部分(3)由位于被抽送液体进入液流前后的泵体(1)的两个侧壁(7和8)和与前后壁(7和8)相连的泵体1的周壁(9)构成的压水室(4)、以及设置在上述泵体(1)中的工作轮(6)的流道(5)形成，工作轮(6)由安装在传动轴(10)上的其上固定有叶片(12)的后盘(11)和固定在上述叶片(12)上的前盘(13)组成，其特征在于：泵体(1)的周壁(9)的几何形状应考虑硬磨粒在泵的过流部分(3)中的分布规律。

2、按照权利要求1所述的抽送含固体磨粒的液体的离心泵，其特征在于泵体（1）子午截面内的周壁（9）向后壁（8）倾斜，并与工作轮（6）的轴线成锐角（α）。

3、按照权利要求2所述的离心泵，其特征在于周壁（9）的倾角（α）由下列公式确定：

α＝ (π)/2 -arctg (θ（θ＋δ＋a))/(f O·SO)

式中：θ-工作轮子午截面流道内硬磨粒层的宽度，

a-后盘厚度0.02-0.085（米），

δ-后盘和泵体后壁之间的间隙值0.001-0.005（米），

f_o-压水室横截面积0.00345-0.1828（米²），

s_o-被抽送液体中硬磨粒的体积浓度0.35以下，

θ＝b〔1-0.6u·v^-1 $\sqrt{\mathrm{d\; ·D}{}^{\mathrm{-1}}{\mathrm{(\rho }}_S\mathrm{-\; \rho }{}_e\mathrm{)\rho }{}_e{}^{\mathrm{-1}}}$ 〕

式中：b-工作轮子午截面内的流道宽度0.4-0.3（米），

u-工作轮入口处的圆周速度7.5-14.7（米/秒），

v-被抽送的含硬磨粒的液体的平均速度3.8-6.9（米/秒），

d-磨粒平均尺寸0.02（米）以下，

D-工作轮入口处直径0.1-0.77（米），

ρ_s-磨粒密度4500（公斤/米³）以下，

ρ_e-液体密度1000（公斤/米³）。

4、按照权利要求1或2或3所述的离心泵，其特征在于泵体（1）中主排粒叶片（14）是这样安装在工作轮（6）后盘（11）与泵体（1）后壁（8）相对的表面上的：使在垂直于泵轴截面内的两个相邻主排粒叶片（14）中的一个有一段叶片（15）设置在后盘（11）的中心部分，并与工作轮（6）叶片（12）的入口边（12a）重合，另一个排粒叶片（14）有一段叶片（16）设置在后盘（11）的圆周部分，并与工作轮（6）的同一叶片（12）的出口边（12b）重合，此时每个排粒叶片（14）的出口角（β_＊）介于约60°至约90°。

5、按照权利要求4所述的离心泵，其特征在于工作轮（6、6c）的后盘（11、11c）上，在主排粒叶片（14、14c）之间应这样配置辅助排粒叶片（17、17c）：辅助叶片（17、17c）中至少有一个配置在上述两个相邻主排粒叶片（14、14c）之间，其出口角（β^′ _＊）等于主排粒叶片（14、14c）的出口角（β_＊）。

6、按照权利要求4或5所述的离心泵，其特征在于泵体（1）中在前盘（13）的与泵体（1）的前壁（7）相对的表面上装有排粒叶片（18），每个排粒叶片（18）的出口角（β^″ _＊）等于主排粒叶片（14）的出口角（β_＊），其数量等于后盘（11）上的主排粒叶片和辅助排粒叶片（14、17）之和。

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