轻巧节能型多级离心泵

轻巧节能型多级离心泵

关键词：多级离心泵

简介：

近年来，全球淡水资源日益匮乏，我国局部干旱逐年加剧，地下水水位逐渐降低，对多级泵扬程的要求也越来越高。传统多级泵具有体积大、单级扬程低及效率不高的缺点，本团队新设计的轻巧节能型多级泵有效地规避了上述缺陷。为了提高多级泵的单级扬程及实现轴向力自动平衡，首次提出了一种新型斜切叶轮设计方法；为了保证多级离心泵仍有高效率指标，创新地设计出一种更符合液体流动趋势的反导叶。本作品具有明显的节能节材效果。本项目已实现合同转让。

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详细介绍：

一、研究背景及意义 泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其它外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。衡量泵性能的技术参数有流量、扬程、轴功率、效率等。在国民经济各部门中，凡是有流体流动的地方就有泵在工作，泵的耗电量约占全国总发电量的20%以上，占全国总油耗的5%，因此泵是节能减排的重要领域。 多级离心泵是将具有同样功能的两个以上的泵集合在一起，其主要过流部件有吸水室、叶轮及导叶。吸水室位于叶轮前面，其作用是将液体引向叶轮；叶轮是泵最重要的工作原件，原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功，使其能量增加；导叶位于叶轮外围，其作用是收集从叶轮流出的液体，送入排水管。多级离心泵广泛应用于地下水抽取、高层建筑给水、石油开采等领域，是提供高扬程、高压力液体的关键设备。在石油开采、管道供水和抽取地下水等特殊的应用场合，多级离心泵需要在井下或管道内部工作，叶轮直径受到限制。如何在有限的空间内，尽可能提高单级扬程，缩短轴向长度并提高可靠性，一直是多级离心泵设计中的重点和难点所在。 传统多级离心泵由于井径的限制，泵体的外径和叶轮直径受到限制，制约了叶轮的单级扬程。目前我国常用深井多级离心泵的泵体之间多数是用螺栓固定联结，为了给联结部位留有螺栓的位置，泵体装叶轮的入口口径要比泵体外径小很多，这就进一步约束了叶轮的最大直径，也限制了叶轮的单级扬程。为了将深井中的水抽取至地面，达到总扬程的要求，必然要增加级数，从而导致轴向尺寸大，生产成本高，综合经济效益低。同时，泵体过长带来可靠性的降低，使泵的使用寿命也大打折扣。 本作品研制的轻巧节能型多级离心泵具有低能耗低成本的特点，结构紧凑轻巧，可靠性较高，满足我国当前在农田水利建设、石油开采等领域对高效、高扬程和高可靠性多级离心泵的迫切应用需求，不仅具有较高的学术价值，而且对我国农业机械和石油开采业的发展具有十分重要的意义。 二、斜切式叶轮的设计 在一般的水泵设计中，叶轮直径是根据水泵性能要求进行计算得到的，但在本作品的设计过程中按照国家标准只规定额定流量，不规定单级扬程的额定值，并希望单级扬程尽可能高一些，这样在总扬程一定的情况下，以此减少多级泵级数，降低成本。由于叶轮直径是影响泵单级扬程最重要的几何参数，为了有效的提高多级泵的单级扬程，在新型多级泵叶轮的设计过程中将叶轮前盖板直径设计为接近泵壁内径，使叶轮直径最大化，同时斜切叶轮后盖板提高出流空间。 以一台150QJ20多级泵为例，该泵应用于150 mm井径的深井中，由于要留下安装电缆线的余量，泵壁最大内径为123mm，受到泵体结构及设计思路的影响，传统叶轮的直径只有96 mm，而新型斜切叶轮前盖板直径设计为119 mm，后盖板直径为110 mm。由于新型斜切叶轮的直径远大于传统叶轮，因此新型斜切叶轮在额定流量点（20 m3/h）的单级扬程为10.9 m，而传统叶轮只有6.5 m。在65米深井内，传统多级泵需要10叶轮才能满足要求，而本作品只需要6级就足够。因此，本作品的轴向长度及生产成本大幅度降低。 下面是斜切式叶轮的设计要点和理论分析。 (1) 叶轮前盖板直径约等于泵体内壁直径，在有限的泵体直径条件下，使叶轮直径达到极大值，从而提高多级泵的单级扬程。 (2) 叶轮后盖板直径约等于导叶的下盖板直径和叶轮前盖板直径的中间值，可通过优化水泵效率的数值模拟，筛选最高效率的叶轮后盖板直径。 (3) 叶轮后盖板外壁垂直于泵轴，这是为了缩短泵的轴向长度，降低制造成本。通用型井用潜水泵叶轮后盖板从进口到出口一般是倾斜向上。研究证明，叶轮后盖板倾斜与否对性能影响微乎其微，因此在新型井泵中，低比转数泵的叶轮后盖板不倾斜，高比转数泵的叶轮后盖板在流道内可以稍微倾斜，但叶轮后盖板外壁垂直于泵轴，这种情况下，叶轮后盖板的出口部分会很薄，这对水泵性能有利无害，对叶轮的机械强度也不影响。 (4) 叶轮进口采用端面密封，叶轮轴孔与泵轴采用滑动配合，使叶轮工作时的泄漏损失最小，提高井泵的容积效率，同时叶轮进口直径也要小一些。 (5) 叶轮前盖板以泵轴为中心呈锥面，使液流在叶轮出口有向上运动的趋势，这有利于提高井泵效率。叶轮前盖板呈锥面形状，使叶轮流道的轴面宽度从进口到出口逐步减小，这可以为收缩流道的设计提供有利条件，不仅可以减小流道的扩散程度，也可以提高井泵效率。 (6) 叶轮的出口宽度b2对水泵性能影响很大，适当加大b2不仅可以提高单级扬程，还可以提高井泵效率。其准确选择可通过优化水泵效率的数值模拟，筛选最高效率的叶轮b2值。 (7) 叶轮叶片进口边要向进口延伸，使叶片的后盖板流线更长一些，这样可以防止叶轮出口发生二次回流，有利于提高泵的单级扬程和井泵效率。 由于按照上述方法设计的叶轮后盖板直径小于叶轮前盖板直径，所以在叶轮出口的后盖板压力会低于前盖板压力，如果叶轮后盖板出口处的压力太低，就有可能发生二次回流，即叶轮打出去的液体再回到叶轮内。而把叶轮叶片进口边向进口延伸，使叶片的后盖板流线更长一些，则可以提高叶轮后盖板出口处的压力，防止叶轮出口发生二次回流。同时，叶轮叶片进口边向进口延伸，还可以减小叶片进口边的液流冲击损失，提高水泵效率。 三、三维曲面反导叶的设计 为了提高多级泵的效率及进一步降低多级离心泵的生产成本，我们决定采用一种进口边扭曲的三维曲面反导叶来代替常用的空间导叶。因为反导叶的轴向长度最短，且制造比空间导叶容易，所以成本降低是没有问题的；进口边扭曲更符合水的流动形态，减少导叶的进口冲击损失，从而提高泵的效率。设计出的三维曲面反导叶的叶片工作面是三维曲面，叶片背面是圆柱面，这样可以采用注塑工艺进行生产；而传统的空间导叶叶片十分扭曲，注塑模具根本加工不出来，只能采用铸造工艺。轻巧节能型多级离心泵的叶轮及导叶都可以采用塑料PPO（聚苯醚）生产，相比传统铸铁多级泵，本作品十分轻巧；本作品的效率又比传统多级泵高2-8个百分点，又体现出了节能特性。 三维曲面反导叶的主要特点如下： (1) 导叶进口部分（导叶下盖板以外部分）是三维曲面的，其叶片进口安放角按照三条流线分别计算出来的液流角合理取值。 液流在导叶内的能量损失，主要是导叶进口边的液流冲击损失，所以导叶进口边的进口安放角设计十分重要，以进口安放角等于设计工况的进口液流角，或者略大于进口液流角为宜，即进口冲角以0°~5°为宜。 (2) 导叶出口部分设计成圆柱形，这可以减小导叶片的出口排挤系数，降低出口流速，从而提高井泵效率。 导叶出口安放角要尽可能大一些，以便减小液流的圆周速度分量，但并不是90°最好，而是以流道面积逐渐增加，流道内的流速逐渐减小为好。当导叶的出口安放角小于90°的时候，在导叶出口和叶轮进口的液流速度有圆周分量，因此叶轮的叶片进口安放角要相应加大，这对叶轮的设计和水泵效率的提高是有利的。 (3) 导叶下盖板以内部分的叶片，其凸面是圆柱形二维曲面，但凹面是三维曲面，并且与导叶进口曲面和导叶出口圆柱面光滑连接。 导叶下盖板以内部分的叶片凸面要求圆柱形二维曲面，是考虑到便于起模的工艺要求，将导叶进口曲面和导叶出口圆柱面光滑连接有利于提高水泵效率。以上三个设计要点中的关键是第一条，这是三维曲面反导叶与以往反导叶的主要区别，也是三维曲面反导叶降低其水力损失的主要措施。三维曲面反导叶可以取代传统多级离心泵中大多采用的空间导叶，不仅降低了导叶的水力损失，又不影响铸造工艺性，同时导流壳的轴向长度较短，且制造比空间导叶容易，可以大幅降低制造成本。 四、轴向力自动平衡 轴向力是泵设计、运行中必须考虑的重要因素。尤其是高扬程的多级离心泵，运行过程中产生的轴向力较大，直接影响泵的安全、可靠运行。轴向力的产生是由叶轮的结构特点决定的，叶轮进口部分是空的（水流通道），叶轮后盖板面积大于前盖板面积，形成了一种从后盖板指向前盖板的压力差，即轴向力。一般多级离心泵在叶轮上采用径向密封环加平衡孔的方法来平衡部分轴向力，剩余轴向力由电机内部的推力轴承承担，但剩余轴向力有时会很大，而电机内的推力轴承承受轴向力的能力有限，因此仍有造成损坏的可能。 传统的轴向力公式有很多，其计算结果相差较大，且这些公式都是在特定形状和结构的条件下试验总结出来的，不具有普遍性，因此传统的轴向力计算公式不能准确地计算离心泵轴向力的大小。随着CFD在流体机械中的应用逐渐走向成熟，基于CFD的水泵性能预测及优化设计已基本达到工程实用的程度。通过对离心泵内部流场进行数值模拟、理论分析以及实验测量结果的对比发现，在额定流量下数值模拟值和试验结果之间的误差较小。数值模拟可以针对各种结构的离心泵进行计算，较经验公式更准确地预测轴向力的大小，可以将其作为准确预测轴向力的有效方法。 过去人们常采用止推轴承、平衡孔或平衡管、背(副)叶片、平衡盘和平衡鼓等额外的零件平衡轴向力，但这些平衡措施的运用均以降低水泵效率或者增加生产成本为代价。轻巧节能型多级泵中通过减小叶轮后盖板直径来减小叶轮所受的轴向力，因为盖板力是构成轴向力的主要组成部分，后盖板面积减小必然导致轴向力减小，并且随着后盖板直径的减小而减小。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

设计目的：针对国内多级泵与国际先进水平的巨大差距，研究出具有国际先进水平的轻巧节能型多级泵，创新多级泵的设计理论与方法，创新产品结构型式。 基本思路：(1)结合当今全球能源危机及水资源问题日益突出，确定新型多级泵应具有显著的节能节材特点；(2)通过对多级离心泵内部流动的理论分析、试验研究（粒子成像测速）和数值计算，提出轻巧节能型多级离心泵的创新性设计理论与方法；(3)开发低成本低能耗、可靠性高的多级离心泵系列产品，完善优秀水力模型库。 创新点：(1)为了把多级泵的单级扬程提高到最大，首次提出了一种新型斜切叶轮设计方法；(2)为了保证多级离心泵具有高效率指标，创新地设计出一种更符合液体流动趋势的反导叶；(3)为了有效地减少轴向力对泵运行可靠性的影响，创新地提出了一种通过减小叶轮后盖板直径自动平衡轴向力的方法。 技术关键：(1)由于叶轮直径是影响泵单级扬程最重要的几何参数，为了有效提高多级泵的单级扬程，将叶轮前盖板直径设计为接近泵壁内径，使叶轮直径最大化，同时斜切叶轮后盖板提高出流空间；(2)设计出了一种进口边扭曲的三维曲面反导叶，进口边扭曲更符合水的流动形态，减少导叶的进口冲击损失，从而提高泵的效率；(3)通过减小叶轮后盖板直径来减小叶轮所受的轴向力，因为盖板力是构成轴向力的主要组成部分，后盖板面积减小必然导致轴向力减小，并且随着后盖板直径的减小而减小。 主要技术指标：本作品效率高于国标2-8个百分点，单级扬程提高20%-50%，最大轴功率降低30%左右。

科学性、先进性

多级泵广泛应用于地下水抽取、高层建筑给水、石油开采等领域，是提供高扬程液体的关键设备。在石油开采和抽取地下水等特殊的应用场合，多级泵在井下或管道内部工作，叶轮直径受到限制。传统多级泵由于采用空间导叶和螺栓联连接的方式，为了给联结部位留有螺栓的位置，其叶轮直径小，单级扬程较低。本作品将叶轮直径增加到接近泵壁内径，使叶轮直径最大化，从而提高泵的单级扬程；同时设计出了一种进口边扭曲的三维曲面反导叶，进口边扭曲更符合水的流动形态，减少导叶进口冲击损失，从而提高泵的效率；设计出的三维曲面反导叶的叶片工作面是三维曲面，叶片背面是圆柱面，这样可以采用注塑工艺进行生产，轻巧节能型多级泵的叶轮及导叶都可以采用塑料PPO（聚苯醚）生产；生产效率及制造精度大幅度提高，相比传统铸铁多级泵，本作品十分轻巧，重量减轻1/3；单级扬程提高20%-50%，效率提高2-8个百分点，轴向长度缩短30%以上，大幅降低了制造成本和泵轴长度，提高了使用可靠性。本作品的理论和应用在国内外属首创，主要技术指标已达到国际先进水平。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

使用说明及该作品的技术特点：本作品是一款新型的多级离心泵，本团队拥有完全的自主知识产权，目前已经在一些厂家逐步投入生产。使用本作品方法设计的多级泵，其单级扬程在国内外同类产品中相对最高，因此同等扬程要求下的多级泵就可以用较少的叶轮与导叶，所以企业生产相同扬程的产品，生产成本可以降到最低。本作品的生产成本较国内外同类产品可以降低30%左右。 作品的适应范围及推广前景：本作品目前已经在多个类型的产品中应用，可以在所有的多级泵中推广开来，既适合在农业节水灌溉中推广应用，还适合在石油行业中推广应用。本作品具有巨大的推广价值和显著的节能效果。根据附件4的应用证明可以发现，2012年仅南京蓝深制泵集团、浙江新界泵业有限公司、合肥建业机械有限公司三家企业采用本成果增加的产值分别为3250万元、5443万元及680万元。 作品市场分析和经济效益预测：本产品的生产成本与国际同类产品批发价相比，有很大的利润空间，国内有20亿元市场，国外有20亿元市场，本作品的生产成本较国内外同类产品可以降低30%左右。

同类课题研究水平概述

多级离心泵是一种量大面广的泵种，国外许多著名厂商如瑞典的飞力公司(Flygt)、美国ITT旗下的古尔兹公司（GOULDS）、丹麦的格兰富公司（GRUNDFOS）、德国的里茨公司（RITZ）和KSB公司等都具有高性能的多级离心泵系列产品。本作品研究的是多级离心泵的更新换代产品，是在国内的多级离心泵包括井用多级泵、长轴多级泵严重落后于国际先进水平和国内的水泵制造企业迫切要求参与国际竞争的背景下提出来的。我国多级离心泵的技术水平一直处于比较落后的状态，国外企业的产品垄断了国内多级离心泵的高端市场，比如地热开采、矿山矿井的市场，甚至农村自来水和富裕农户的家庭井泵也被格兰富公司的不锈钢多级泵和古尔兹公司的工程塑料多级泵占领了。国内企业在低水平、低价位上相互竞争，企业效益越来越差，严重危及我国多级离心泵整个行业的生存和发展。 本作品在借鉴国外先进产品的基础上，通过大量的理论分析、设计、试制、试验研究等，对多级离心泵进行了系统、深入的研究，创新地提出了多级离心泵斜切式叶轮设计法和进口边扭曲的反导叶三维曲面设计法，在福建银嘉机电有限公司、福安远东华美电机有限公司、广东东莞孝义水泵厂（外商独资）等企业试制新产品，取得了明显的节能节材效果，是传统多级离心泵的更新换代产品，并且在制造技术方面也有很大进展。随后，在浙江新界泵业有限公司、南京蓝深集团等企业进行了批量生产。该系列产品无论在性能上、价格上、产品结构、产品重量上，均具有明显的优势，具有很强的市场竞争力，可以在全行业推广应用。 本作品的理论和应用在国内外属首创，国内外同类课题只研究传统的多级离心泵。由中国科学院上海科技查新咨询中心查新：本作品的主要技术指标达到国际先进水平。通过对比试验可以看出，与同规格的传统多级泵相比，轻巧节能型多级离心泵效率高，性能优于国家标准要求，泵效率高于国家标准的规定值2-8个百分点，泵的单级扬程平均比国内外同类产品及国家标准提高20%-50%，综合技术指标达到国际同类产品先进水平。同时泵体总长和重量分别减少1/3左右，生产成本降低1/3左右，具有明显的节能节材效果。根据不完全统计，本作品被南京蓝深制泵集团有限公司、浙江新界泵业有限公司、合肥建业机械有限公司等企业生产，取得了显著的经济与社会效益。