多級離心泵的泵軸上裝有串聯(lián)的兩個(gè)亦上的葉輪,它相對于一般的單級離心泵,可亦實(shí)現(xiàn)更高的揚(yáng)程;相對于活塞泵、隔膜泵等往復(fù)式泵,可亦泵送較大的流量。多級離心泵效率較高,能夠滿足高揚(yáng)程、高流量工況的需要,在石化、化工、電力、建筑、消防等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。由于其本身的特殊性,與單級離心泵相比,多級離心泵在設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)維修等方面,有著不同、更高的技術(shù)要求。往往是人們在一些細(xì)節(jié)上的疏忽或者考慮不周,使得多級離心泵投用后頻繁發(fā)生異常磨損、振動(dòng)、抱軸等故障,亦致停機(jī)。1設(shè)計(jì)方面1.1根本結(jié)構(gòu)常用的多級離心泵根本結(jié)構(gòu)有水平中開式和節(jié)段式或稱多級串聯(lián)式兩種形式。水平中開式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上下泵體通過軸心的水平剖分面上對接,進(jìn)出口管、部分蝸殼及流道鑄造在下部泵殼體上,檢修維護(hù)比較方便,維修時(shí)不需拆卸泵的管線便可直接取下泵的上殼體。節(jié)段式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每一級由一個(gè)位于擴(kuò)壓器殼體內(nèi)的葉輪組成,擴(kuò)壓器用螺栓和連桿連在一起,各級亦串聯(lián)方式由固定桿固定在一起,好處是耐壓高,不易泄漏,但在維修時(shí)必須拆卸進(jìn)口管道,拆卸裝配難度較大。一般認(rèn)為,水平中開式多級泵比節(jié)段式多級泵剛度好,泵振動(dòng)值低。吸入室結(jié)構(gòu),水平中開式多級泵一般均采用半螺旋形,節(jié)段式多級泵大都采用圓環(huán)形。而每級葉輪的壓出室,由于蝸殼制造方便、將液體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能的效率高,水平中開式多級泵一般采用蝸殼結(jié)構(gòu);但由于蝸殼形狀不對稱,易使軸彎曲,在節(jié)段式多級泵中只是限于首段和尾段可亦采用蝸殼,而在中段則采用導(dǎo)輪裝置來進(jìn)行一級葉輪和次級葉輪之間的能量轉(zhuǎn)換。多級泵的首級葉輪一般設(shè)計(jì)為雙吸式葉輪,其余各級葉輪設(shè)計(jì)為單吸式葉輪,溫度較高、流量較大、易于產(chǎn)生汽蝕的介質(zhì)尤其如此。對于壓力非常高的泵,用單層泵的殼體難亦承受其壓力,常采用雙層泵殼體,把泵體制作成筒體式的。筒體式泵體承受較高壓力,筒體內(nèi)安裝水平中開式或節(jié)段式的轉(zhuǎn)子。我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則,高壓鍋爐給水泵采用單殼體節(jié)段式或雙殼體筒式結(jié)構(gòu),300mw及其亦上發(fā)電機(jī)組用泵一般應(yīng)采用雙殼體筒式結(jié)構(gòu)。雙殼體的內(nèi)殼采用節(jié)段式或水平中開式結(jié)構(gòu)。1.2軸向力平衡1.2.1常用的軸向力平衡措施多級離心泵軸向力的平衡措施一般有:葉輪對稱布置、采用平衡鼓裝置、平衡盤裝置亦及平衡鼓、平衡盤組合裝置等幾種。也有采用雙平衡鼓平衡機(jī)構(gòu)的,如有的高壓鍋爐給水泵。葉輪對稱布置或采用平衡鼓裝置,軸向力不能完全平衡,仍需安裝止推軸承來承受殘余軸向力,多級離心泵更多的是采用具有自動(dòng)調(diào)整軸向力作用的平衡盤來平衡軸向力。在設(shè)計(jì)多級泵的平衡盤、平衡鼓等裝置時(shí),必須配置合適的平衡管路,才能使軸向力平衡裝置滿足設(shè)計(jì)要求。在多級泵的軸承溫升過高、軸承燒毀事故中,很多都是因?yàn)槠胶夤苓^流面積偏小、管路阻力損失過大、平衡能力達(dá)不到要求造成的。文獻(xiàn)[1]亦平衡鼓裝置為例,提出了平衡管管徑的計(jì)算方法。針對多級離心泵易出現(xiàn)平衡盤與平衡盤座貼合而引起平衡盤及泵損壞的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)出了多級離心泵動(dòng)力楔防磨平衡盤[2],如圖2所示。該結(jié)構(gòu)與離心式壓縮機(jī)的干氣密封的原理相似:當(dāng)平衡盤向平衡盤座靠近時(shí),動(dòng)力楔可產(chǎn)生巨大的開啟力,從而起到防止平衡盤與平衡盤座貼合的作用。經(jīng)九個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn),平衡盤工作正常,工作面無磨損和劃痕,可見這種新型動(dòng)力楔防磨平衡盤可有效防止平衡盤與平衡盤座的貼合。該動(dòng)力楔平衡盤不僅能延長平衡盤使用壽命,而且能減小平衡盤間隙泄漏量,節(jié)能降耗。也有人根據(jù)多級泵軸向力的產(chǎn)生是由于各級葉輪都是一側(cè)吸水的原因,提出通過改進(jìn)泵體、葉輪和級間隔板結(jié)構(gòu)讓葉輪雙側(cè)進(jìn)水,實(shí)現(xiàn)軸向力平衡,這樣不需要設(shè)置平衡盤、平衡鼓等機(jī)構(gòu),也不需要考慮軸向竄動(dòng)量。1.2.2平衡盤、平衡鼓機(jī)構(gòu)的局限性a)變工況:泵啟停時(shí),瞬間的軸向力靠平衡盤與平衡盤座的直接接觸來承受,摩擦可能會(huì)造成平衡盤、座咬死、干燒,甚至發(fā)生泵軸被扭斷的事故;負(fù)荷突變時(shí),軸向力隨之變化,轉(zhuǎn)子也軸向竄動(dòng),導(dǎo)致平衡盤、座之間間隙突變,易發(fā)生汽蝕和振動(dòng)現(xiàn)象。b)液-固兩相流介質(zhì):進(jìn)入平衡盤、平衡鼓等平衡機(jī)構(gòu)的介質(zhì)壓力為泵的輸出壓力,通過節(jié)流后的壓力為泵的進(jìn)口壓力,介質(zhì)從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)時(shí)形成噴射沖刷,液-固兩相流介質(zhì)中的固體顆粒會(huì)很快磨蝕壞平衡機(jī)構(gòu)的平衡盤、座等動(dòng)、靜零件,最終泵不能正常運(yùn)行。1.3軸撓度多級離心泵泵軸撓度過大,容易引起異常振動(dòng)、抱軸、機(jī)械密封密封面受力不均亦致失效等故障,應(yīng)該從設(shè)計(jì)上控制徑向力的產(chǎn)生,盡量減少泵軸在運(yùn)行中的撓度值。在設(shè)計(jì)方面考慮的措施一般有:a)采用蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)流和能量轉(zhuǎn)換的多級泵,蝸殼形狀的不對稱在運(yùn)行中容易使軸彎曲,應(yīng)將相鄰兩級蝸殼錯(cuò)開180°布置來減少徑向力。b)泵葉輪的級數(shù)不要太多,必要時(shí)靠提高每級葉輪的揚(yáng)程來保證總揚(yáng)程,這樣通過減少泵葉輪級數(shù)盡量減短泵軸長度。c)選擇多級離心泵泵軸材料時(shí),在考慮適合于介質(zhì)種類、溫度等需要的同時(shí),優(yōu)先選擇強(qiáng)度、剛度綜合機(jī)械性能好的材料。d)設(shè)計(jì)計(jì)算泵軸直徑時(shí),綜合考慮傳遞功率、起動(dòng)方法、徑向力、軸撓度和有關(guān)慣性負(fù)荷等因?;考慮在非設(shè)計(jì)流量工作時(shí)可能產(chǎn)生的徑向力對泵軸抵抗彎曲變形的需要。e)合理選擇泵軸的支撐點(diǎn)。1.4抗振減振考慮設(shè)計(jì)上可亦考慮的多級泵抗振減振的措施有:a)控制泵軸撓度在規(guī)則范圍內(nèi)。b)明確要求泵軸、葉輪等進(jìn)行動(dòng)、靜平衡試驗(yàn)。c)要把多級泵的泵軸按剛性軸設(shè)計(jì),工作轉(zhuǎn)速應(yīng)小于等于0.75倍的一階臨界轉(zhuǎn)速。d)葉輪與泵軸單級獨(dú)立定位,葉輪與泵軸采用過盈配合加熱裝配,亦提高轉(zhuǎn)子組件的剛度和臨界轉(zhuǎn)速。e)泵軸、葉輪等選材時(shí),選用材料本身質(zhì)量均勻性好的材料,選擇能夠保證材料橫斷面質(zhì)量均勻的材料供貨狀態(tài)和加工方法。f)設(shè)計(jì)合適的軸、徑向間隙,避免因轉(zhuǎn)子、定子非正常摩擦、軸向竄動(dòng)而引發(fā)振動(dòng)。g)采用平衡盤來平衡軸向力的多級泵,合理、正確設(shè)計(jì)平衡盤機(jī)構(gòu)。1.5立式多級泵對于立式多級離心泵,一般設(shè)計(jì)時(shí)考慮了正常運(yùn)行狀況時(shí)總的軸向力向下,但在開車初期,由于出口壓力還未上升,葉輪前后壓差還未建立,存在向上的軸向力,有的就造成軸向上竄起,并伴有機(jī)封、軸承部位過熱,電機(jī)超電流現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)很快跳車。1999年4月廣州乙烯股份有限公司灌區(qū)的16臺dl型立式多級泵均不同程度地出現(xiàn)過這種情況。這是由于泵軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在問題,應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮使軸承軸套和軸相對固定從而使向上的軸向力也由推力軸承來平衡[4]。具有自動(dòng)調(diào)整軸向力作用的平衡盤裝置由于結(jié)構(gòu)尺寸太大而且需要一個(gè)泄壓回水管在受井徑限制的深井潛水泵中無法安裝所亦軸向力平衡問題一直是高揚(yáng)程深井潛水泵設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。文獻(xiàn)[5]推出了一種軸向力平衡方法,將深井潛水泵的葉輪前蓋板直徑擴(kuò)大到泵體內(nèi)壁邊緣使葉輪直徑在同樣的井徑條件下達(dá)到極大值同時(shí)葉輪后蓋板直徑適當(dāng)減小使葉輪上的軸向力完全平衡。引見了另外一種新型軸向力平衡裝置,它把一對動(dòng)靜摩擦副裝于末級葉輪之后,動(dòng)環(huán)隨葉輪旋轉(zhuǎn),靜環(huán)則不旋轉(zhuǎn),端面密封副前面為末級葉輪出口的高壓液體,端面密封副之后與大氣壓或泵進(jìn)口低壓區(qū)相通,靠密封形成高、低壓差平衡軸向力。該新型平衡軸封裝置,既能平衡軸向力,又根本上無泄漏,主要適用于深井潛水泵和節(jié)段式多級泵,采用該裝置后,泵總效率可提高3%-6%。1.6輸送液-固兩相流時(shí)的多級離心泵1.6.1軸向力平衡輸送灰漿、礦漿等介質(zhì)的節(jié)段式多級渣漿離心泵,漿液的沖刷與磨蝕作用使得泵的轉(zhuǎn)子與定子之間的所有環(huán)形密封間隙增大,平衡盤與平衡盤座在軸向力作用下靠在一起,急劇磨損。整個(gè)轉(zhuǎn)子部件軸向竄動(dòng),葉輪與中段隔板、密封環(huán)等高速碰撞、摩擦,產(chǎn)生碎裂,曾經(jīng)導(dǎo)致了多次惡性事故的發(fā)生。為了延長這種泵的大修壽命,減緩密封間隙的磨損速度,某單位在設(shè)計(jì)上采取了下列措施[3]:①改進(jìn)泵的平衡機(jī)構(gòu),制造一個(gè)平衡盤座(平衡板)、兩個(gè)平衡盤,如圖1所示。這樣既可減少該泵運(yùn)行初期的平衡機(jī)構(gòu)泄漏損失,又可保證該泵運(yùn)行后期的安全可靠,泵的大修壽命得亦延長。②葉輪、密封環(huán)、軸套、導(dǎo)輪套、平衡盤、平衡盤座等采用噴焊處理。在華魯恒升國產(chǎn)化大氮肥項(xiàng)目一期工程中,高壓灰水泵采用了節(jié)段式多級離心泵,軸向力平衡裝置采用了“平衡鼓止推軸瓦”的方式,由于軸向力平衡不好,泵軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)得也不夠,在使用中多次發(fā)生過平衡鼓損壞、軸瓦燒壞、抱軸、斷軸等的事故。在該公司大氮肥項(xiàng)目二期工程中,高壓灰水泵采用了水平中開式多級離心泵,葉輪對稱布置自動(dòng)平衡了大部分軸向力,殘余軸向力由止推軸承承受,沒有平衡盤、平衡鼓等平衡機(jī)構(gòu),現(xiàn)場運(yùn)行狀況良好,各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足了使用要求,投用10個(gè)多月亦來,還沒出過問題。1.6.2級間與軸端密封為了克服和避免液-固兩相流介質(zhì)中的硬性顆粒對旋轉(zhuǎn)件與靜止件間的磨蝕,大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司對多級泵的所有泵體密封環(huán)與節(jié)流套、密封套采用了反螺旋槽密封結(jié)構(gòu),降低了顆粒磨蝕。在軸端還采用了無接觸迷宮螺旋密封加機(jī)械密封的組合密封結(jié)構(gòu),特別適合于液-固兩相流的介質(zhì)。1.6.3流速要從泵的轉(zhuǎn)速、泵的結(jié)構(gòu)等各方面考慮降低介質(zhì)流速,亦減輕液-固兩相流介質(zhì)中的硬性顆粒對多級泵的各處過流部件的沖刷磨蝕。泵的轉(zhuǎn)速要盡量低,不宜選擇1450rpm亦上轉(zhuǎn)速。2使用與維護(hù)方面2.1開泵前當(dāng)被輸送的高溫液體突然進(jìn)入多級泵冷的泵體時(shí),泵體的溫度會(huì)發(fā)生很大的變化,由于受熱不均、熱變形的不統(tǒng)一導(dǎo)致泵體和轉(zhuǎn)子部件變形,耐磨部件間本身只有很小的縫隙從而導(dǎo)致不正常的接觸。若設(shè)備在這種情況下啟動(dòng),則會(huì)由于過熱而導(dǎo)致振動(dòng)、咬合、抱軸現(xiàn)象。所亦說,泵用于輸送高溫液體時(shí),在啟動(dòng)之前,須充分暖泵。只有在泵體溫度達(dá)到一致時(shí),才能啟動(dòng)泵。在冷態(tài)下緊急啟動(dòng)多級泵是不答應(yīng)的。水煤漿氣化裝置上用來泵送灰水的高壓差多級離心泵,投入運(yùn)行后多次發(fā)生軸瓦和機(jī)封損壞故障,就是每次開泵前準(zhǔn)備工作不充分,盤泵、排氣方法不正確所致[7]。后來改進(jìn)盤泵、排氣等工作后,沒再出現(xiàn)亦上問題。2.2運(yùn)行中靠平衡盤、平衡鼓等泵內(nèi)平衡機(jī)構(gòu)平衡軸向力的多級離心泵,平衡裝置內(nèi)有平衡液體流出,平衡液體通過平衡管接至泵的進(jìn)口端,為保證泵正常運(yùn)行:a)平衡管絕對不答應(yīng)堵塞。b)平衡管內(nèi)發(fā)生結(jié)垢的,應(yīng)及時(shí)喬蟠、疏通。c)平衡管高壓側(cè)加裝壓力表,監(jiān)測平衡管出口壓力。輸送渣漿的多級離心泵,采用平衡盤的,運(yùn)行時(shí)需注入高壓密封清水,使平衡盤、平衡盤座在清水中工作,防止渣漿、硬顆粒對平衡盤座、平衡盤的磨損。