輕巧節能型多級離心泵

輕巧節能型多級離心泵

關鍵詞：多級離心泵

簡介：

近年來，全球淡水資源日益匱乏，我國局部干旱逐年加劇，地下水水位逐漸降低，對多級泵揚程的要求也越來越高。傳統多級泵具有體積大、單級揚程低及效率不高的缺點，本團隊新設計的輕巧節能型多級泵有效地規避了上述缺陷。為了提高多級泵的單級揚程及實現軸向力自動平衡，首次提出了一種新型斜切葉輪設計方法；為了保證多級離心泵仍有高效率指標，創新地設計出一種更符合液體流動趨勢的反導葉。本作品具有明顯的節能節材效果。本項目已實現合同轉讓。

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詳細介紹：

一、研究背景及意義 泵是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的機械能或其它外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。衡量泵性能的技術參數有流量、揚程、軸功率、效率等。在國民經濟各部門中，凡是有流體流動的地方就有泵在工作，泵的耗電量約占全國總發電量的20%以上，占全國總油耗的5%，因此泵是節能減排的重要領域。 多級離心泵是將具有同樣功能的兩個以上的泵集合在一起，其主要過流部件有吸水室、葉輪及導葉。吸水室位于葉輪前面，其作用是將液體引向葉輪；葉輪是泵最重要的工作原件，原動機通過泵軸帶動葉輪旋轉，對液體做功，使其能量增加；導葉位于葉輪外圍，其作用是收集從葉輪流出的液體，送入排水管。多級離心泵廣泛應用于地下水抽取、高層建筑給水、石油開采等領域，是提供高揚程、高壓力液體的關鍵設備。在石油開采、管道供水和抽取地下水等特殊的應用場合，多級離心泵需要在井下或管道內部工作，葉輪直徑受到限制。如何在有限的空間內，盡可能提高單級揚程，縮短軸向長度并提高可靠性，一直是多級離心泵設計中的重點和難點所在。 傳統多級離心泵由于井徑的限制，泵體的外徑和葉輪直徑受到限制，制約了葉輪的單級揚程。目前我國常用深井多級離心泵的泵體之間多數是用螺栓固定聯結，為了給聯結部位留有螺栓的位置，泵體裝葉輪的入口口徑要比泵體外徑小很多，這就進一步約束了葉輪的最大直徑，也限制了葉輪的單級揚程。為了將深井中的水抽取至地面，達到總揚程的要求，必然要增加級數，從而導致軸向尺寸大，生產成本高，綜合經濟效益低。同時，泵體過長帶來可靠性的降低，使泵的使用壽命也大打折扣。 本作品研制的輕巧節能型多級離心泵具有低能耗低成本的特點，結構緊湊輕巧，可靠性較高，滿足我國當前在農田水利建設、石油開采等領域對高效、高揚程和高可靠性多級離心泵的迫切應用需求，不僅具有較高的學術價值，而且對我國農業機械和石油開采業的發展具有十分重要的意義。 二、斜切式葉輪的設計 在一般的水泵設計中，葉輪直徑是根據水泵性能要求進行計算得到的，但在本作品的設計過程中按照國家標準只規定額定流量，不規定單級揚程的額定值，并希望單級揚程盡可能高一些，這樣在總揚程一定的情況下，以此減少多級泵級數，降低成本。由于葉輪直徑是影響泵單級揚程最重要的幾何參數，為了有效的提高多級泵的單級揚程，在新型多級泵葉輪的設計過程中將葉輪前蓋板直徑設計為接近泵壁內徑，使葉輪直徑最大化，同時斜切葉輪后蓋板提高出流空間。 以一臺150QJ20多級泵為例，該泵應用于150 mm井徑的深井中，由于要留下安裝電纜線的余量，泵壁最大內徑為123mm，受到泵體結構及設計思路的影響，傳統葉輪的直徑只有96 mm，而新型斜切葉輪前蓋板直徑設計為119 mm，后蓋板直徑為110 mm。由于新型斜切葉輪的直徑遠大于傳統葉輪，因此新型斜切葉輪在額定流量點（20 m3/h）的單級揚程為10.9 m，而傳統葉輪只有6.5 m。在65米深井內，傳統多級泵需要10葉輪才能滿足要求，而本作品只需要6級就足夠。因此，本作品的軸向長度及生產成本大幅度降低。 下面是斜切式葉輪的設計要點和理論分析。 (1) 葉輪前蓋板直徑約等于泵體內壁直徑，在有限的泵體直徑條件下，使葉輪直徑達到極大值，從而提高多級泵的單級揚程。 (2) 葉輪后蓋板直徑約等于導葉的下蓋板直徑和葉輪前蓋板直徑的中間值，可通過優化水泵效率的數值模擬，篩選最高效率的葉輪后蓋板直徑。 (3) 葉輪后蓋板外壁垂直于泵軸，這是為了縮短泵的軸向長度，降低制造成本。通用型井用潛水泵葉輪后蓋板從進口到出口一般是傾斜向上。研究證明，葉輪后蓋板傾斜與否對性能影響微乎其微，因此在新型井泵中，低比轉數泵的葉輪后蓋板不傾斜，高比轉數泵的葉輪后蓋板在流道內可以稍微傾斜，但葉輪后蓋板外壁垂直于泵軸，這種情況下，葉輪后蓋板的出口部分會很薄，這對水泵性能有利無害，對葉輪的機械強度也不影響。 (4) 葉輪進口采用端面密封，葉輪軸孔與泵軸采用滑動配合，使葉輪工作時的泄漏損失最小，提高井泵的容積效率，同時葉輪進口直徑也要小一些。 (5) 葉輪前蓋板以泵軸為中心呈錐面，使液流在葉輪出口有向上運動的趨勢，這有利于提高井泵效率。葉輪前蓋板呈錐面形狀，使葉輪流道的軸面寬度從進口到出口逐步減小，這可以為收縮流道的設計提供有利條件，不僅可以減小流道的擴散程度，也可以提高井泵效率。 (6) 葉輪的出口寬度b2對水泵性能影響很大，適當加大b2不僅可以提高單級揚程，還可以提高井泵效率。其準確選擇可通過優化水泵效率的數值模擬，篩選最高效率的葉輪b2值。 (7) 葉輪葉片進口邊要向進口延伸，使葉片的后蓋板流線更長一些，這樣可以防止葉輪出口發生二次回流，有利于提高泵的單級揚程和井泵效率。 由于按照上述方法設計的葉輪后蓋板直徑小于葉輪前蓋板直徑，所以在葉輪出口的后蓋板壓力會低于前蓋板壓力，如果葉輪后蓋板出口處的壓力太低，就有可能發生二次回流，即葉輪打出去的液體再回到葉輪內。而把葉輪葉片進口邊向進口延伸，使葉片的后蓋板流線更長一些，則可以提高葉輪后蓋板出口處的壓力，防止葉輪出口發生二次回流。同時，葉輪葉片進口邊向進口延伸，還可以減小葉片進口邊的液流沖擊損失，提高水泵效率。 三、三維曲面反導葉的設計 為了提高多級泵的效率及進一步降低多級離心泵的生產成本，我們決定采用一種進口邊扭曲的三維曲面反導葉來代替常用的空間導葉。因為反導葉的軸向長度最短，且制造比空間導葉容易，所以成本降低是沒有問題的；進口邊扭曲更符合水的流動形態，減少導葉的進口沖擊損失，從而提高泵的效率。設計出的三維曲面反導葉的葉片工作面是三維曲面，葉片背面是圓柱面，這樣可以采用注塑工藝進行生產；而傳統的空間導葉葉片十分扭曲，注塑模具根本加工不出來，只能采用鑄造工藝。輕巧節能型多級離心泵的葉輪及導葉都可以采用塑料PPO（聚苯醚）生產，相比傳統鑄鐵多級泵，本作品十分輕巧；本作品的效率又比傳統多級泵高2-8個百分點，又體現出了節能特性。 三維曲面反導葉的主要特點如下： (1) 導葉進口部分（導葉下蓋板以外部分）是三維曲面的，其葉片進口安放角按照三條流線分別計算出來的液流角合理取值。 液流在導葉內的能量損失，主要是導葉進口邊的液流沖擊損失，所以導葉進口邊的進口安放角設計十分重要，以進口安放角等于設計工況的進口液流角，或者略大于進口液流角為宜，即進口沖角以0°~5°為宜。 (2) 導葉出口部分設計成圓柱形，這可以減小導葉片的出口排擠系數，降低出口流速，從而提高井泵效率。 導葉出口安放角要盡可能大一些，以便減小液流的圓周速度分量，但并不是90°最好，而是以流道面積逐漸增加，流道內的流速逐漸減小為好。當導葉的出口安放角小于90°的時候，在導葉出口和葉輪進口的液流速度有圓周分量，因此葉輪的葉片進口安放角要相應加大，這對葉輪的設計和水泵效率的提高是有利的。 (3) 導葉下蓋板以內部分的葉片，其凸面是圓柱形二維曲面，但凹面是三維曲面，并且與導葉進口曲面和導葉出口圓柱面光滑連接。 導葉下蓋板以內部分的葉片凸面要求圓柱形二維曲面，是考慮到便于起模的工藝要求，將導葉進口曲面和導葉出口圓柱面光滑連接有利于提高水泵效率。以上三個設計要點中的關鍵是第一條，這是三維曲面反導葉與以往反導葉的主要區別，也是三維曲面反導葉降低其水力損失的主要措施。三維曲面反導葉可以取代傳統多級離心泵中大多采用的空間導葉，不僅降低了導葉的水力損失，又不影響鑄造工藝性，同時導流殼的軸向長度較短，且制造比空間導葉容易，可以大幅降低制造成本。 四、軸向力自動平衡 軸向力是泵設計、運行中必須考慮的重要因素。尤其是高揚程的多級離心泵，運行過程中產生的軸向力較大，直接影響泵的安全、可靠運行。軸向力的產生是由葉輪的結構特點決定的，葉輪進口部分是空的（水流通道），葉輪后蓋板面積大于前蓋板面積，形成了一種從后蓋板指向前蓋板的壓力差，即軸向力。一般多級離心泵在葉輪上采用徑向密封環加平衡孔的方法來平衡部分軸向力，剩余軸向力由電機內部的推力軸承承擔，但剩余軸向力有時會很大，而電機內的推力軸承承受軸向力的能力有限，因此仍有造成損壞的可能。 傳統的軸向力公式有很多，其計算結果相差較大，且這些公式都是在特定形狀和結構的條件下試驗總結出來的，不具有普遍性，因此傳統的軸向力計算公式不能準確地計算離心泵軸向力的大小。隨著CFD在流體機械中的應用逐漸走向成熟，基于CFD的水泵性能預測及優化設計已基本達到工程實用的程度。通過對離心泵內部流場進行數值模擬、理論分析以及實驗測量結果的對比發現，在額定流量下數值模擬值和試驗結果之間的誤差較小。數值模擬可以針對各種結構的離心泵進行計算，較經驗公式更準確地預測軸向力的大小，可以將其作為準確預測軸向力的有效方法。 過去人們常采用止推軸承、平衡孔或平衡管、背(副)葉片、平衡盤和平衡鼓等額外的零件平衡軸向力，但這些平衡措施的運用均以降低水泵效率或者增加生產成本為代價。輕巧節能型多級泵中通過減小葉輪后蓋板直徑來減小葉輪所受的軸向力，因為蓋板力是構成軸向力的主要組成部分，后蓋板面積減小必然導致軸向力減小，并且隨著后蓋板直徑的減小而減小。

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

設計目的：針對國內多級泵與國際先進水平的巨大差距，研究出具有國際先進水平的輕巧節能型多級泵，創新多級泵的設計理論與方法，創新產品結構型式。 基本思路：(1)結合當今全球能源危機及水資源問題日益突出，確定新型多級泵應具有顯著的節能節材特點；(2)通過對多級離心泵內部流動的理論分析、試驗研究（粒子成像測速）和數值計算，提出輕巧節能型多級離心泵的創新性設計理論與方法；(3)開發低成本低能耗、可靠性高的多級離心泵系列產品，完善優秀水力模型庫。 創新點：(1)為了把多級泵的單級揚程提高到最大，首次提出了一種新型斜切葉輪設計方法；(2)為了保證多級離心泵具有高效率指標，創新地設計出一種更符合液體流動趨勢的反導葉；(3)為了有效地減少軸向力對泵運行可靠性的影響，創新地提出了一種通過減小葉輪后蓋板直徑自動平衡軸向力的方法。 技術關鍵：(1)由于葉輪直徑是影響泵單級揚程最重要的幾何參數，為了有效提高多級泵的單級揚程，將葉輪前蓋板直徑設計為接近泵壁內徑，使葉輪直徑最大化，同時斜切葉輪后蓋板提高出流空間；(2)設計出了一種進口邊扭曲的三維曲面反導葉，進口邊扭曲更符合水的流動形態，減少導葉的進口沖擊損失，從而提高泵的效率；(3)通過減小葉輪后蓋板直徑來減小葉輪所受的軸向力，因為蓋板力是構成軸向力的主要組成部分，后蓋板面積減小必然導致軸向力減小，并且隨著后蓋板直徑的減小而減小。 主要技術指標：本作品效率高于國標2-8個百分點，單級揚程提高20%-50%，最大軸功率降低30%左右。

科學性、先進性

多級泵廣泛應用于地下水抽取、高層建筑給水、石油開采等領域，是提供高揚程液體的關鍵設備。在石油開采和抽取地下水等特殊的應用場合，多級泵在井下或管道內部工作，葉輪直徑受到限制。傳統多級泵由于采用空間導葉和螺栓聯連接的方式，為了給聯結部位留有螺栓的位置，其葉輪直徑小，單級揚程較低。本作品將葉輪直徑增加到接近泵壁內徑，使葉輪直徑最大化，從而提高泵的單級揚程；同時設計出了一種進口邊扭曲的三維曲面反導葉，進口邊扭曲更符合水的流動形態，減少導葉進口沖擊損失，從而提高泵的效率；設計出的三維曲面反導葉的葉片工作面是三維曲面，葉片背面是圓柱面，這樣可以采用注塑工藝進行生產，輕巧節能型多級泵的葉輪及導葉都可以采用塑料PPO（聚苯醚）生產；生產效率及制造精度大幅度提高，相比傳統鑄鐵多級泵，本作品十分輕巧，重量減輕1/3；單級揚程提高20%-50%，效率提高2-8個百分點，軸向長度縮短30%以上，大幅降低了制造成本和泵軸長度，提高了使用可靠性。本作品的理論和應用在國內外屬首創，主要技術指標已達到國際先進水平。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

使用說明及該作品的技術特點：本作品是一款新型的多級離心泵，本團隊擁有完全的自主知識產權，目前已經在一些廠家逐步投入生產。使用本作品方法設計的多級泵，其單級揚程在國內外同類產品中相對最高，因此同等揚程要求下的多級泵就可以用較少的葉輪與導葉，所以企業生產相同揚程的產品，生產成本可以降到最低。本作品的生產成本較國內外同類產品可以降低30%左右。 作品的適應范圍及推廣前景：本作品目前已經在多個類型的產品中應用，可以在所有的多級泵中推廣開來，既適合在農業節水灌溉中推廣應用，還適合在石油行業中推廣應用。本作品具有巨大的推廣價值和顯著的節能效果。根據附件4的應用證明可以發現，2012年僅南京藍深制泵集團、浙江新界泵業有限公司、合肥建業機械有限公司三家企業采用本成果增加的產值分別為3250萬元、5443萬元及680萬元。 作品市場分析和經濟效益預測：本產品的生產成本與國際同類產品批發價相比，有很大的利潤空間，國內有20億元市場，國外有20億元市場，本作品的生產成本較國內外同類產品可以降低30%左右。

同類課題研究水平概述

多級離心泵是一種量大面廣的泵種，國外許多著名廠商如瑞典的飛力公司(Flygt)、美國ITT旗下的古爾茲公司（GOULDS）、丹麥的格蘭富公司（GRUNDFOS）、德國的里茨公司（RITZ）和KSB公司等都具有高性能的多級離心泵系列產品。本作品研究的是多級離心泵的更新換代產品，是在國內的多級離心泵包括井用多級泵、長軸多級泵嚴重落后于國際先進水平和國內的水泵制造企業迫切要求參與國際競爭的背景下提出來的。我國多級離心泵的技術水平一直處于比較落后的狀態，國外企業的產品壟斷了國內多級離心泵的高端市場，比如地熱開采、礦山礦井的市場，甚至農村自來水和富裕農戶的家庭井泵也被格蘭富公司的不銹鋼多級泵和古爾茲公司的工程塑料多級泵占領了。國內企業在低水平、低價位上相互競爭，企業效益越來越差，嚴重危及我國多級離心泵整個行業的生存和發展。 本作品在借鑒國外先進產品的基礎上，通過大量的理論分析、設計、試制、試驗研究等，對多級離心泵進行了系統、深入的研究，創新地提出了多級離心泵斜切式葉輪設計法和進口邊扭曲的反導葉三維曲面設計法，在福建銀嘉機電有限公司、福安遠東華美電機有限公司、廣東東莞孝義水泵廠（外商獨資）等企業試制新產品，取得了明顯的節能節材效果，是傳統多級離心泵的更新換代產品，并且在制造技術方面也有很大進展。隨后，在浙江新界泵業有限公司、南京藍深集團等企業進行了批量生產。該系列產品無論在性能上、價格上、產品結構、產品重量上，均具有明顯的優勢，具有很強的市場競爭力，可以在全行業推廣應用。 本作品的理論和應用在國內外屬首創，國內外同類課題只研究傳統的多級離心泵。由中國科學院上海科技查新咨詢中心查新：本作品的主要技術指標達到國際先進水平。通過對比試驗可以看出，與同規格的傳統多級泵相比，輕巧節能型多級離心泵效率高，性能優于國家標準要求，泵效率高于國家標準的規定值2-8個百分點，泵的單級揚程平均比國內外同類產品及國家標準提高20%-50%，綜合技術指標達到國際同類產品先進水平。同時泵體總長和重量分別減少1/3左右，生產成本降低1/3左右，具有明顯的節能節材效果。根據不完全統計，本作品被南京藍深制泵集團有限公司、浙江新界泵業有限公司、合肥建業機械有限公司等企業生產，取得了顯著的經濟與社會效益。