梁立国+宋小伍+王县文
摘 要：离心泵是石油化工行业中的重要设备，文章是针对在小流量的工况下泵能够高效平稳运行而开发的新产品，通过工厂试验及用户现场的长期稳定运行，证明该泵研制是成功的。同时，开发小流量离心泵也使泵的型谱范围更加宽广，为以后的选型提供了更多的泵型，其高效节能及良好的抗汽蚀性能成为该产品的突出优点，向节能环保和绿色制造的发展方向又迈进了一步。
关键词：小流量；高效率；水力设计
前言
虽然离心泵在石油化工领域早已广泛使用，但是现有泵型还是不能满足一些小流量、高扬程工况下的高效稳定运行。一般表现在两个方面：一是采用打回流来实现小流量时泵的稳定运行，这种方法效率低、电能消耗变大；二是大泵小用，直接运行在泵的小流量区域，导致泵产生振动大及效率低的问题，这将大大缩短泵的使用寿命，并给用户带来一系列的安全隐患。针对这种情况，我公司依托相关项目研制的小流量离心泵具有高效稳定和抗汽蚀性能好的特点，也为用户节约了大量的用电成本，符合当前机械行业节能环保的发展趋势。
1 泵的运行工况及主要技术性能指标
1.1 泵的运行工况如下
1.2泵的主要技术性能指标如下
流量Q=2m3/h；扬程H=60m；效率η=17%；转速n=2950r/min；必须汽蚀余量NPSHr=2.5m。
2 叶轮的水力设计
2.1 设计分析
由于相似换算法简单可靠，按照模型泵进行设计可一次干好，因此仍采用此方法。为了提高泵的抗汽蚀性能和改变扬程需要修改模型。首先要选择比转速相近的水力模型，然后将选出的优秀水力模型高效点的流量扬程向设计点流量进行换算，这样就可以计算出流量换算比例系数，从而计算出设计泵的水力缩小倍数。将叶轮水力模型按计算的倍数缩小后，再根据设计流量与模型流量换算得出叶轮的出口宽度b，向后平移葉轮的前盖板至b。按缩小后的叶轮扬程与设计点扬程进行换算，便可计算出设计叶轮的外径。适当加大叶轮的入口直径以提高其抗汽蚀性能，这样叶轮就设计完毕。
2.2 技术难点
根据相似换算原理保持叶轮外径不变改变出口宽度，再根据额定扬程改变叶轮外径，最终得出叶轮出口宽度为2.8mm。这就遇到了一个新的问题，因为现有砂型铸造水平只能铸造出最小出口宽度为3.5mm的叶轮，若按照出口宽度2.8mm铸造叶轮，叶轮出口处前后盖板很容易铸在一起，废品率会很高，造成不必要的浪费以及成本的提高。如何实现叶轮的最小铸造开口由3.5mm转变到2.8mm是解决问题的关键。
2.3 解决方法
通过认真分析并结合铸造工艺的特点，可以在保持叶轮内部流道水力部分不变的情况下，只改变叶轮出口处的宽度来实现。具体做法是：在保证流道水力部分不变的情况下先将叶轮出口处的宽度铸造成3.5mm，然后在叶轮开口处垫上2.8mm的钢板，并将叶轮和钢板固定好，用铜棒均匀砸击叶轮前盖板出口边缘，叶轮出口宽度达到2.8mm时取下垫板对叶轮进行机加工（见图1）。这种方法简便易行，非常适合小流量离心泵闭式叶轮的制造。
3 泵体的水力设计
泵体的水力部分就可以根据设计的叶轮计算出基圆直径，从而按吸水室和压水室的水力设计方法计算和设计出来。泵体涡室需要重新设计，采用有利于改善流动条件的半螺旋形吸水室来保证在叶轮进口得到均匀的速度场，并按计算的基圆直径、进口宽度及涡室各断面面积进行设计和绘图。而压水室则采用在设计工况下液体符合自由流动和轴对称的螺旋形压水室，这就保证了叶轮内相对流动的稳定性。绘图后发现泵体水力部分流道结构非常紧凑，压水室过流断面宽度仅为10mm，特别是一级和二级过渡流道处尺寸非常小，对铸造工艺要求很高，经与铸造厂家沟通可以实现了该泵体流道的铸造。
4 泵的结构设计
40AY30X2型泵为径向剖分，两级单吸，悬臂式离心泵。设计制造完全按照美国石油学会API610-2010《石油、化学和天然气工业用离心泵》执行，属于0H2结构。
4.1 整体结构
泵为径向剖分结构，中心线支撑。泵壳体分为两部分，由泵体、泵盖等组成，它承受泵的全部工作压力，进、出口均垂直向上布置。泵盖上铸有密封腔，密封腔外面有可供选择的水冷腔夹套。打开前泵盖就可以检查泵内的全部零件，无需拆卸泵的吸入管道、吐出管道及电机，因此检修非常方便。
4.2 转子部件
转子部件包括轴、叶轮、叶轮口环、轴套和键等。转子动平衡精度为G2.5级，以保证泵运行过程中振动和噪声都在国家标准规定的范围内。轴向力主要靠面对面布置的两个叶轮自身平衡，残余轴向力由一组角接触球轴承平衡。
4.3 轴承体
泵的转子由一个向心球轴承和一组角接触球轴承来支撑。这是标准的稀油自润滑轴承体，通过甩油环进行稀油润滑和冷却，轴承体铸有水冷腔可以很好的进行冷却。
4.4 机械密封
采用满足API682标准的PLAN11方案集装式机械密封，不但拆装方便，而且满足正常运行寿命25000小时的使用要求，这就为设备的长期连续运行提供了可靠保证。
5 型式试验对设计的验证
按照GB/T3216-2005、JB/T8097-1999、JB/T8098-1999试验标准，通过常温清水全性能测试对泵的性能和结构特点进行考核，试验结果如下：流量Q=2m3/h；扬程H=61.2m；效率η=17.25%；转速n=2950r/min；必需汽蚀余量NPSHr=2.18m；
试验结果表明该泵实现了预期的设计目标，满足了用户实际的使用要求，证明泵的设计是先进合理的。
6 结束语
该泵自投入运行5年以来一直很稳定，噪声和振动都非常小，各项性能指标都满足现场使用要求。修改模型是泵设计中常用的方法，对泵型谱的扩展有着十分重要的意义。而优秀的水力模型是设计的关键，对设计泵的效率和汽蚀性能都有很大影响。因此，针对特定工况综合运用先进的设计理论方法，设计出高效率、高抗汽蚀性的泵设备，不但提高了企业在市场中的竞争力，也是石油化工行业发展的必然趋势。
参考文献
[1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京.宇航出版社，1987：179-280，497-530.
[2]沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册[M].北京机械工业出版社，1983：162-212，329-341.
