高壓自平衡節段式離心泵的製作方法

2023-04-28 22:21:51

專利名稱：高壓自平衡節段式離心泵的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種泵，特別是涉及一種能滿足鋼廠高壓水除磷、油田高壓注水及原油外輸等場合要求，在運行工況頻繁變化，輸送非潔淨回注水和濁環水等固液二相具有一定腐蝕的介質或含水、氣和砂粒的原油等三相流介質時應具有高可靠性、無洩漏和長周期連續運行特性的高壓自平衡節段式離心泵。
背景技術：
目前，高壓多級離心泵結構形式主要為節段式、渦殼式和雙殼體式三大類。
節段式高壓多級離心泵以鍋爐給水泵及其派生產品為代表，主要適用運行工況平穩的場合，由於其多級葉輪按同一方向順序布置，運行時產生的軸向力高達數十噸，必須通過平衡盤機構進行平衡，而平衡盤機構不足以平衡軸向力時，其餘軸向力則由角接觸球軸承承受。當運行工況頻繁變化時，軸向力的變化必然造成泵轉子部件的頻繁竄動而常常使平衡盤發生瞬間摩擦，甚至出現因平衡盤咬死而導致斷軸事故發生。為了減少平衡盤咬死的隱患，採用角接觸球軸承進行限位，並承受剩餘軸向力，但又造成平衡盤的動態平衡功能受限制。因此，該類型泵平衡盤和角接觸球軸承在運行工況頻繁變化時的相互幹涉是導致在部份使用條件下，兩者使用壽命短和可靠性差的致命因素。同時，節段式多級泵通常採用數根整體拉緊螺栓緊固其進出水段和中段等零部件，拉緊螺栓承受全部葉輪壓力差所產生的拉力，當葉輪級數較多，泵壓力較高時，拉緊螺栓直徑不得不加大，造成泵的外形尺寸增大。
渦殼式多級離心泵可以具有對稱布置的葉輪轉子部件，使各級葉輪所產生的軸向力相互抵消，不需採用平衡盤或平衡鼓結構就能實現泵腔內巨大的軸向推力達到自動平衡。該泵殼體一般為水平中開，由於考慮葉輪的對稱布置，其內流道十分複雜，殼體鑄件的工藝性差。該泵不能根據壓力的變化增減葉輪級數，其性能適用範圍受局限。雙殼體式高壓多級離心泵在渦殼式殼體的外部增加剛性筒體，使泵能夠承受更高的壓力，其結構特點和適應範圍類似於渦殼式多級泵，但製造成本高，一般用於特殊場合。
高壓多級離心泵密封種類主要為機械密封、螺旋密封和填料密封等。對於鋼廠高壓水除磷、油田高壓注水及原油外輸等場合，高壓多級離心泵組合作為需要長周期連續運行的關鍵設備，因泵負荷頻繁變化，介質既為固液二相流體，同時可能含天然氣等氣體，上述密封及其組合都存在可靠性難以適應長周期連續運行的要求。
機械密封用於密封固液二相流體的可靠性和運行壽命欠佳，尤其當介質含氣體時因密封面液膜破壞或設備運行工況突變發生振動和轉子部件串動時容易失效，且更換機械密封需要解體全部或部份設備，維修周期長，費用高。
螺旋密封使用壽命長，但適應壓力較低，小於2MPa，對於高壓多級泵雖可通過多級螺旋降壓和密封后的洩壓處理，但介質洩漏難以避免。
填料密封洩漏不可避免，運行壽命短，需停機檢修。

發明內容
為了解決高壓多級離心泵適應長周期連續運行和性能變化範圍的能力，滿足對泵軸封的高可靠性、長壽命和幾乎無洩漏的特殊要求，本實用新型的目的在於提供一種高壓自平衡節段式離心泵，該泵將對稱布置的葉輪轉子部件與殼體的節段式有機結合，採用多級非接觸式螺旋密封和新型合成材料的泥狀填縫料密封所形成的組合密封，從而使該泵在保持節段式多級泵性能參數調節範圍寬的基礎上，不需採用平衡盤或平衡鼓結構就能實現泵腔內巨大的軸向推力達到自動平衡，並通過新型組合密封達到輸送高壓固液氣三相流介質幾乎無洩漏和實現設備軸封不停機維護的效果。
本實用新型所採用的技術方案是該泵結構形式為節段式外置管道自平衡臥式多級離心泵。殼體按節段式的形式和級數分為進水段、中段、出水段和內流道進水段，採用分段式拉緊螺栓緊固各段形成泵殼體的整體。由於出水段布置在泵的中部，從而改通常的整體拉緊螺栓為分段式拉緊螺栓，出水段兩端的拉緊螺栓分別僅承受部分葉輪壓力差所產生的拉力，螺栓受力大大改善，可減小螺栓直徑和泵的外形尺寸。
泵出水段與內流道進水段通過外置管道相連形成葉輪對稱布置所需的流道，簡化殼體結構，便於泵性能範圍的拓寬。
泵轉子部件上的葉輪對稱布置，使各級葉輪所產生的軸向力相互抵消而達到自平衡。同時，各級葉輪密封環和密封軸套通過經精密研磨的螺旋密封巧妙實現泵腔液體的內循環無接觸密封，利用螺旋反抽的原理，泵腔內高壓液體經過葉輪級間密封、中間軸套密封以及節流襯套密封等一系列螺旋密封衰減達到常壓。螺旋密封表面鍍硬鉻或特殊表面硬化處理以提高硬度，並在壓差大的部位適當增加密封長度，使級間洩漏儘可能減少，從而使泵基本無洩漏和幾乎無易損件，可大大降低維護和維修的工作量，降低運行維修成本。
泵轉子部件的支承採用滑動軸承，使泵運行更平穩，噪音更低。在泵的非軸伸出端設置了起保險作用的進口角接觸球軸承，當系統工況發生異常瞬間突變時(如汽蝕等)，該軸承足以承受附加軸向力以保證泵不至於損傷。泵的軸承體部件採用特製風扇進行冷卻，在無冷卻水或無法使用強制油潤滑冷卻的情況下也能保持軸承工作時溫升恆定。
該泵軸封採用多級非接觸式螺旋密封和新型合成材料的泥狀填縫料密封所形成的組合密封，該組合密封由四部分組成(一)葉輪級間密封、中間軸套密封以及節流襯套密封等組成的多級非接觸式螺旋密封；(二)與低壓腔相通的平衡腔室；(三)新型合成材料的泥狀填縫料密封；(四)套杯式填料函非接觸式螺旋密封部分的作用是利用螺旋反抽原理將泵腔外洩的高壓介質充分降壓。同時，當固體顆粒進入螺旋密封面時，固體顆粒隨介質進入螺旋槽內被衝走，從而減小固體顆粒對密封面的磨損。
平衡腔室的作用是收集反螺旋密封處洩漏出的介質，該腔室與泵的低壓腔相通，從而進一步降低填縫料密封函的進口壓力。
泥狀填縫料密封的作用是通過專用工具將新型合成材料高壓注入到密封腔中，當泵高速旋轉時，合成材料以纖維狀形成無數個迷宮並纏繞在軸套上，最終達到介質的壓力完全衰竭而幾乎無洩漏的密封效果。該密封對介質含固體顆粒或含氣態的影響不敏感，且對泵運行工況突變發生振動和轉子部件竄動時不會失效。當泵運行中填縫料因漏損而導致介質洩漏時，可利用專用工具實現填縫料的不停機添加，杜絕或減輕洩漏，延長設備的運行周期。
由於填縫料屬軟性材料，其密封函兩端設置盤根和節流裝置，以減少漏損。當密封函進口端壓力較高時，密封函末端的盤根受擠壓往往因摩擦發熱而損毀，並造成軸套磨損加快，本實用新型設置了套杯式填料函結構，利用金屬套杯阻斷填縫料對盤根的擠壓，可有效避免盤根熱損現象的發生。
本實用新型的有益效果是對於具有高可靠性和長周期連續運行要求的高壓泵，當輸送非潔淨回注水和濁環水等固液二相具有一定腐蝕的介質以及含水、氣和砂粒的原油等三相流介質時，在泵結構上，通過將對稱布置的葉輪轉子部件與殼體的節段式有機結合，實現軸向力的自平衡和提高泵性能範圍的適應性。另一方面，針對高壓、變工況和介質特點，通過採用非接觸式多頭螺旋密封和新型合成材料的泥狀填縫料密封所形成的組合密封，解決了現有密封技術在確保高壓泵高可靠性、長壽命和幾乎無洩漏方面的不足，並實現設備軸封的不停機維護，上述設計充分體現了本實用新型的高可靠性冗餘設計的先進思想。


圖1為本實用新型的總體結構圖；圖2為本實用新型的總體結構的局部放大圖，該圖表達了非接觸式螺旋密封的具體結構；圖3為本實用新型的總體結構的局部放大圖，該圖表達了風冷軸承部件的具體結構。
具體實施方式
以下將參照附圖對本實用新型的具體實施例作進一步的描述。
參見圖1、2、3，本實用新型一種高壓自平衡節段式離心泵，包括泵轉子部件，泵殼，前、後軸承部件和拉緊螺栓，其關鍵在於將對稱布置的葉輪轉子部件與殼體的節段式有機結合，採用外置管道形成葉輪對稱布置所需的的流道；殼體按節段式的形式和級數分為進水段、中段、出水段和內流道進水段，出水段布置在泵的中部，採用分段式拉緊螺栓緊固各段形成泵殼體的整體；通過多級非接觸式螺旋密封和注入有新型合成材料的泥狀填縫料密封部件形成組合密封。
所述的組合密封是指葉輪級間密封、中間軸套密封以及節流襯套密封所構成的多級非接觸式螺旋密封；與低壓腔39相通的平衡腔室38；新型合成材料的泥狀填縫料密封和套杯式填料函非接觸式螺旋密封有一個緊固在泵軸2上的密封軸套乙、甲6、25和一個與密封軸套乙、甲6、25外圓保持一定密封間隙通過螺旋連接的節流襯套甲24。
在密封軸套乙、甲6、25外圓和節流襯套甲24內圓上設有多頭螺旋槽，其旋向與泵轉子旋轉方向相反。當泵運行時，泵軸帶動軸套旋轉，該螺旋槽產生反抽吸作用，即與介質洩漏方向相反，達到使高壓介質降壓的目的。
高壓介質經非接觸式多頭螺旋密封降壓後進入平衡腔室，而平衡腔室與泵低壓腔相通，使介質壓力略大於泵進口壓力[＜0.6MPa]在非接觸式螺旋密封和平衡腔室後面，設置有注入了新型合成材料泥狀填縫料的密封部件，該部件有一個密封函乙31和相連接的密封函甲35，在密封軸套甲25和密封函乙、甲31、35所圍成的空腔中從左至右依次裝有節流環32、盤根33、泥狀填縫料34和盤根套杯36。
密封函乙31和密封函甲35之間的連接為可拆卸連接，並在密封函甲35外部設置有不需停機即可添加填縫料34的單向閥40。
套杯式填料函是在盤根套杯36內周面與密封軸套26外圓所形成的空腔中依次裝有節流環和盤根並用盤根壓蓋37壓緊。
填縫料使介質的壓力完全衰竭而幾乎無洩漏填縫料前端即靠近平衡腔室端的節流環和盤根阻止填縫料漏入泵腔；填縫料末端設置的套杯式填料函結構，利用金屬套杯阻斷填縫料對盤根的擠壓，可有效避免盤根熱損現象發生，並防止產的外漏。
密封函甲、乙設為可拆卸連接是為了便於泵檢修時更換密封函乙中的節流環和盤根。
密封軸套甲25、前葉輪20、中間軸套17、後葉輪11、密封軸套乙6通過軸套螺母乙3、軸套螺母甲26和鍵22緊固在泵軸2上，以出水段為界，前葉輪和後葉輪的進口相對布置；各葉輪密封環、中間軸套17、密封軸套甲25和密封軸套乙6分別與中段密封環9、中間密封套15，節流襯套甲24和節流襯套乙7構成葉輪級間螺旋密封、中間軸套螺旋密封以及節流襯套螺旋密封所組合的多級非接觸式螺旋密封；多級進水段23、中段10、前導葉19、前末級導葉18和出水段16用拉緊螺栓甲21緊固；內流道進水段8、中段10、後導葉13、後末級導葉1和出水段16用拉緊螺栓乙12緊固。
內流道進水段8和出水段16用外置管道27聯通形成葉輪對稱布置所需的的流道。
通過配備前軸承部件29，後軸承部件1、泵兩端的組合密封部件4和託架5以及底座28組成高壓節段式離心泵主機，並採用膜片聯軸器30與電機直聯，構成整臺泵組。
泵運行時，介質流經進水段23，進入前葉輪20，經各級前葉輪增壓，通過出水段16，由外置管道27流入內流道進水段8進入後葉輪11，再經過各級後葉輪增壓後，介質最終從出水段16排出。
用以支承泵轉子部件的前、後軸承部件29、1中的軸承是滑動軸承，滑動軸承為水平中開式結構，由上軸承體44、下軸承體46、軸承端蓋43、軸瓦45構成，在泵轉子部件左端，設置了起保險作用的角接觸球軸承，在軸承端蓋40外部裝有風扇42和風扇罩41，風扇42與泵軸2連接，並隨泵軸2旋轉以對軸承體部件螺旋風冷從而使軸承工作時溫升恆定。
後軸承部件中的上、下軸承體44、46外圓鑄有散熱肋片，以增加散熱面積，提高風冷效果。
權利要求1.一種高壓自平衡節段式離心泵，包括泵轉子部件，泵殼，前、後軸承部件和拉緊螺栓，其特徵在於將對稱布置的葉輪轉子部件與殼體的節段式有機結合，採用外置管道形成葉輪對稱布置所需的的流道；殼體按節段式的形式和級數分為進水段、中段、出水段和內流道進水段，出水段布置在泵的中部，採用分段式拉緊螺栓緊固各段形成泵殼體的整體；通過多級非接觸式螺旋密封和注入有新型合成材料的泥狀填縫料密封部件形成組合密封。
2.根據權利要求1所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於所述的組合密封是指葉輪級間密封、中間軸套密封以及節流襯套密封所構成的多級非接觸式螺旋密封；與低壓腔相通的平衡腔室；新型合成材料的泥狀填縫料密封和套杯式填料函。
3.根據權利要求1、2所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於非接觸式螺旋密封有一個緊固在泵軸(2)上的密封軸套乙、甲(6、25)和一個與密封軸套乙、甲(6、25)外圓保持一定密封間隙通過螺旋連接的節流襯套甲(24)。
4.根據權利要求3所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於在密封軸套乙、甲(6、25)外圓和節流襯套甲(24)內圓上設有多頭螺旋槽，其旋向與泵轉子旋轉方向相反。
5.根據權利要求1、2所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於在非接觸式螺旋密封和平衡腔室後面，設置有注入了新型合成材料泥狀填縫料的密封部件，該部件有一個密封函乙(31)和相連接的密封函甲(35)，在密封軸套甲(25)和密封函乙、甲(31、35)所圍成的空腔中從左至右依次裝有節流環(32)、盤根(33)、泥狀填縫料(34)和盤根套杯(36)。
6.根據權利要求5所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於密封函乙(31)和密封函甲(35)之間的連接為可拆卸連接，並在密封函甲(35)外部設置有不需停機即可添加填縫料(34)的單向閥(40)。
7.根據權利要求2所述的高壓自平衡節段式離心泵；其特徵在於套杯式填料函是在盤根套杯(36)內周面與密封軸套(26)外圓所形成的空腔中依次裝有節流環和盤根並用盤根壓蓋(37)壓緊。
8.根據權利要求1所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於密封軸套甲(25)、前葉輪(20)、中間軸套(17)、後葉輪(11)、密封軸套乙(6)通過軸套螺母乙(3)和軸套螺母甲(26)緊固在泵軸(2)上，以出水段為界，前葉輪和後葉輪的進口相對布置；各葉輪密封環、中間軸套(17)、密封軸套甲(25)和密封軸套乙(6)分別與中段密封環(9)、中間密封套(15)、節流襯套甲(24)和節流襯套乙(7)構成葉輪級間螺旋密封、中間軸套螺旋密封以及節流襯套螺旋密封所組合的多級非接觸式螺旋密封；多級進水段(23)、中段(10)、前導葉(19)、前末級導葉(18)和出水段(16)用拉緊螺栓甲(21)緊固；內流道進水段(8)、中段(10)、後導葉(13)、後末級導葉(14)和出水段(16)用拉緊螺栓乙(12)緊固。
9.根據權利要求1所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於用以支承泵轉子部件的前、後軸承部件(29、1)中的軸承是滑動軸承，在其左端還設置了起保險作用的角接觸球軸承，在軸承端蓋(40)外部裝有風扇(42)和風扇罩(41)，風扇(42)與軸(2)連接。
10.根據權利要求1、8所述的高壓自平衡節段式離心泵，其特徵在於後軸承部件中的上、下軸承體(44、46)外圓鑄有散熱肋片。
專利摘要一種高壓自平衡節段式離心泵，該泵將對稱布置的葉輪轉子部件與殼體的節段式有機結合，採用多級非接觸式螺旋密封和新型合成材料的泥狀填縫料密封所形成的組合密封，從而使該泵在保持節段式多級泵性能參數調節範圍寬的基礎上，不需採用平衡盤或平衡鼓結構就能實現泵腔內巨大的軸向推力達到自動平衡，並通過新型組合密封達到輸送高壓固液氣三相流介質幾乎無洩漏和實現設備軸封不停機維護的效果。
文檔編號F04D1/00GK2646424SQ0323505
公開日2004年10月6日 申請日期2003年6月20日 優先權日2003年6月20日
發明者陳晴, 於湘智, 趙興英, 羅紹華, 彭學龍 申請人:重慶水泵廠有限責任公司