多级离心泵输送渣浆轴向力的分析与控制

多级离心泵输送渣浆轴向力的分析与控制

在多级离心工作期间，由于电机的旋转，与泵轴中心线平行的轴向液体压力发生，即轴向力。当传输介质为固液混合（如煤浆、矿浆等）时，由于液位磨损和磨损，多级离心旋转固定之间的密封间隙增大，轴向力急剧变化，对多级离心的长期运行和安全运行有重大影响。在这种情况下，有必要分析多级叶片输送泥浆时的轴向力，并选择正确的计算公式。1腔内浆体压力径向吸入节段式多级离心渣浆泵中(简称多级渣浆泵,见图1),轴向力主要是由叶轮前、后盖板外表面的压力差产生.而这个压力差与盖板外表面及泵体或中段、导叶之间腔体中的液流状态有关.这种流动状况可分为下列两种情况来求解.(1)多级渣浆泵运行初期,密封条件正常时(可认为间隙阻力趋于无穷大),可认为,叶轮两侧腔体内的浆液流动按叶轮角速度的一半旋转,其任意点的压力分布为式中,p,R为盖板外表面任意点的压力和半径;p2,R2为叶轮出口压力和外圆半径;u2为叶轮出口处圆周速度;ρ,γ为浆体的密度、重度,且ρ=γ/g.其压力分布见图2所示.假设由Rc至R2叶轮两侧外表面压力大小相同,则所形成的轴向合力为零.若暂不考虑浆体对叶轮内表面的动反力则轴向力为式中,p1为叶轮进口压力;2πRdR为叶轮外表面上的(2)多级渣浆泵运行后期,密封条件严重破坏时(可认为间隙阻力趋于0),前盖板的外表面腔体内浆液绝对速度的圆周分速度对中心线的速度矩是常数,即式中,v,vu,vm为盖板外表面任意点的绝对速度、圆周分速度和轴面分速度;v2,vu2,vm2为叶轮出口的绝对速度、圆周分速度和轴面分速度.对比转速ns=60～100的离心泵叶轮,可取vu2≈u2/2.由于v2m2-vm2很小,可忽略不计,则有前盖板外表面的轴向压力为后盖板外表面的压力随着级间密封的严重破坏,后级较高能量的浆体将大量倒流至前级叶轮后盖板的腔体内.因为腔体的容积和叶轮角速度不变,如果暂不考虑导叶流道的过流损失,这时倒流浆体的压力等于前级叶轮的出口压力.腔内浆体压力及流动将有3种可能:(1)腔内浆体压力、叶轮出口压力、次级叶轮进口压力三者相等,浆体只在腔体内运动;(2)由于后盖板外表面的圆盘摩擦做功,使腔体内压力大于叶轮出口压力,浆体能量增加,经由导叶不断循环;(3)腔内浆体压力大于后级叶轮进口压力,使浆体不经过导叶直接流入后级叶轮进水口(这种情况不大可能发生).无论是哪种结果,我们假定了密封区间隙阻力为零,且忽略导叶过流损失,因此将后盖板腔内浆体压力视为与叶轮出口压力、次级叶轮进口压力相等是较为合理的.当级间泄漏量达到一定值时,后盖板外表面的压力为F′h≈πp2(R22-Rh2).两侧压力差所形成的轴向力为密封严重破坏时与正常时比较,其前盖板压降增大(R2/R)2倍,后盖板压降减少γu22[1-(R/R2)2]/8g倍(注意:是“压降”变化),所以F′-F=ΔF>0是肯定的,见图2.式(4)-式(2)得对每一台泵而言,ΔF在一定角速度下是常量.泵的真实轴向力Fs应该是F<Fs<F′=F+ΔF.这里所说的轴向力都没有涉及浆体对叶轮内表面的动反力,也没有涉及到泵的级数.在具体计算轴向力大小时,应将上述两点考虑在内.2dm400-658多级煤泥泵的密封间隙严重破坏,延长矿当节段式多级渣浆泵的密封条件严重破坏时,平衡机构完全失效.平衡盘与平衡板在轴向力作用下靠在一起,急剧磨损.整个转子部件轴向窜动,转子部件上的叶轮等高铬铸铁零件与定子部件上的中段隔板、密封环等高铬铸铁零件高速碰撞、摩擦,产生碎裂,导致了多次恶性事故的发生.下面结合具体实例谈谈改进措施.(1)DM360-75×8多级煤泥泵,设计参数:qV=360m3/h,单级扬程H=75m,转速n=1480r/min,级数i=8,煤浆密度ρ=1050kg/m3.该泵首级叶轮Rc=135mm,次级叶轮Rc=115mm.Rh=67.5mm,R2=242.5mm.首级叶轮入口轴面速度为3.2m/s,次级叶轮入口轴面速度为6.1m/s.当该泵刚投入运行时,根据公式(2),并考虑到浆体对叶轮内表面的动反力,计算得该泵轴向力约120kN.如按清水设计理论:平衡盘内圆半径Ri是次级叶轮Rc的1.15倍,即132.25mm;平衡盘外圆半径Ro近似为Ri的1.2倍,即158.5mm,清水理论设计的平衡机构在实际运行中迅速损坏.为此笔者曾将Ri,Ro分别加大至145,175mm.通过工业运行,整机的大修寿命也只有500h左右.表1、表2为DM360-75×8多级煤泥泵在南票矿务局小凌河煤矿某次大修时的检测记录.由记录可知,密封间隙已严重破坏.根据公式(5),当密封条件严重破坏时,DM360-75×8多级煤泥泵轴向力的增加值将达到200kN左右.为了延长该泵的大修寿命,减缓密封间隙的磨损速度,采取下列措施:(1)改进泵的平衡机构,制造一个平衡板、两个平衡盘(结构尺寸见图3).其中,平衡盘1的Ri=145mm(图中均为直径),Ro=175mm;平衡盘2根据计算结果加大尺寸,即Ri=177.5mm,Ro=210mm.在该泵运行的初始阶段,使用平衡盘1;运行一段时间后,轴向力不断上升.当平衡盘1磨损过快,无法维持该泵正常运行时,则换用平衡盘2.这样做既可减少该泵运行初期的平衡机构泄漏损失,又可保证该泵运行后期的安全可靠,泵的大修寿命得以延长.(2)叶轮、密封环、轴套、导叶套全部采用喷焊制造.由于密封环密封间隙与级间密封间隙的严重破坏是导致多级煤泥泵轴向力急剧上升的关键,所以提高叶轮、密封环、轴套、导叶套的寿命,便可延长该泵的大修寿命.以往叶轮、密封环、轴套、导叶套均采用高铬合金铸铁制造,不仅成本高,而且由表1、表2可知,其耐磨性能并不太好.为了降低零件成本,提高其寿命,在南票矿务局小凌河煤矿使用的DM360-75×8多级煤泥泵上进行对比试验,如图4所示.叶轮采用HT200铸铁制造,在叶轮的2表面喷焊镍基60粉末;第1,2,5,6,8级密封环采用HT200铸铁制造,内孔1表面喷焊镍基60粉末;而第3,4,7级密封环采用高铬合金铸铁制造.该泵运行654.5h后升井拆检,检测记录见表3.由记录数据可知,喷焊镍基60粉末的耐磨性能是高铬合金铸铁的5.6倍.DM360-75×8多级煤泥泵采用上述两项措施改进后,取得良好效果,大修寿命达3500～4000h,平均大修寿命提高5～6倍,取得显著的经济效益.(2)在上述措施中,多级渣浆泵运行时需注入高压密封清水,使平衡盘、平衡板在清水中工作,防止煤泥对平衡板、平衡盘的磨损,这一方面需要多级渣浆泵工作现场附近有清洁的水源,另一方面需要配置一套高压密封注水设备.但某些矿井并不具备清洁的水源,所以这些矿井的DM360型多级煤泥泵寿命很低.为此,采取如下措施:将平衡盘、平衡板的内径改为Ri=170mm,外径改为Ro=215mm,且平衡板表面喷焊铁基55合金粉未平衡盘表面喷焊镍基合金粉未这一方面使得多级煤泥泵启动时平衡盘平衡板的接触面增大,比压减小;另一方面,喷焊材料的采用也使得煤浆通过时,平衡机构的抗磨性更好.DM360-75×1