0. 前言
在小流量高揚(yáng)程極低比轉(zhuǎn)速領(lǐng)域，皮托泵(旋噴泵或旋殼泵)的性能優(yōu)于勝達(dá)因高速泵，更優(yōu)于往復(fù)泵，揚(yáng)程愈高，優(yōu)勢(shì)愈突出。甘工大是我國培養(yǎng)水機(jī)專業(yè)人材的搖籃“水機(jī)專業(yè)黃浦軍?！?，從1993年開始，在我國最早進(jìn)行了旋噴泵的研究，為什么會(huì)受到某廠進(jìn)口落后旋噴泵的誤導(dǎo)，走了多年彎路？[1]
為什么研究進(jìn)展緩慢？與美國皮托泵的性能相比差距大？本文用實(shí)例進(jìn)行了分析，找出了原因。直到2005年，旋噴泵核心件葉輪仍采用傳統(tǒng)小流量離心泵的長短葉片，2008年"旋噴泵研究開發(fā)現(xiàn)狀與展望"綜述性文章，無葉輪內(nèi)容，可能意識(shí)到以前的觀點(diǎn)不妥[2-4]，轉(zhuǎn)鼓部分也未涉及。
其實(shí)，早在五十多年前，美國L.K.William為了解決皮托泵流道的擴(kuò)散度大，會(huì)產(chǎn)生脫流和二次回流，降低泵效率，反向思維，將小流量離心泵的葉片部分改作為液體的流道，其余金屬部分作為葉片，成為出口角為近90度的12條幅射狀等斷面流道，這種巧妙的構(gòu)思于1965.4.12申請(qǐng)的美國專利在1968.5.21被授權(quán)，名稱為“Centrifugal pump"，公開了皮托泵葉輪和集流管的創(chuàng)新技術(shù)和15幅附圖，奠定了當(dāng)今皮托泵技術(shù)的基礎(chǔ)[5]。
之所以我國高校博導(dǎo)和研究生論文的參考文獻(xiàn)中，很少有旋噴泵國外專利，源于專利名稱并不寫“旋噴泵或旋殼泵"，2019.5.7皮托泵最新的美國專利名稱為“Pressure reducing rotor assembly for a pump"，當(dāng)然檢索不到有價(jià)值的國外旋噴泵專利文獻(xiàn)。
另外，我國進(jìn)口正宗皮托泵廠商的完工資料和工業(yè)運(yùn)行情況，高校和制造廠也不太了解，文章和研究生論文上旋噴泵裝配圖與實(shí)際產(chǎn)品有很大區(qū)別，十多年不變，也造成轉(zhuǎn)鼓CFD數(shù)值模擬基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)圖失誤[14]。由于國外皮托管泵資料缺乏，造成只能研制揚(yáng)程不高的低端品種，效率差距更大，結(jié)構(gòu)也不太合理。
撰寫本文的目的是，針對(duì)我國旋噴泵研究和制造權(quán)威單位，在葉輪、集流管和轉(zhuǎn)鼓的水力設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)方面存在的缺陷，奉獻(xiàn)十多年來進(jìn)口美國皮托泵工作中收集的資料和工程經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)我國旋噴泵的研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用有所啟迪，以便盡快縮小與美國Envirotech泵公司還存在的很大差距。
1. 皮托泵的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)與工作原理簡(jiǎn)述
1-1 皮托泵誕生的回顧
皮托管是由法國水利工程師亨利.皮托(Henri.Pitot)于1732年發(fā)明的，用于測(cè)量河水流速。1923年，F(xiàn).W.Krogh借鑒皮托管將流速轉(zhuǎn)化為壓力的原理，首創(chuàng)了簡(jiǎn)易的皮托泵。早在1938年，應(yīng)二戰(zhàn)火箭燃料泵的急需，德國和英國開始對(duì)小流量高揚(yáng)程泵進(jìn)行研制，因多級(jí)離心泵的級(jí)數(shù)太多, 可靠性差，而往復(fù)泵高壓下壓力脈動(dòng)強(qiáng)烈，且易損件又多，均被否定。
研制人員當(dāng)時(shí)提出了兩種全新構(gòu)思的離心泵[6]。Barske 博士首先提出了高速、開式葉輪、部分流型離心泵方案，避免了以前只是簡(jiǎn)單將常規(guī)離心泵高速化出現(xiàn)的種種故障。另一全新構(gòu)思是將葉輪與泵殼聯(lián)為一體同步回轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)稱為旋轉(zhuǎn)殼體泵(Rotating Casing pump) 的單級(jí)離心泵。
如所周知，離心泵的基本原理是葉輪回轉(zhuǎn)獲得動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。小流量超高揚(yáng)程離心泵的效率之所以低，關(guān)鍵是葉輪的圓盤摩擦損失太大，此項(xiàng)損失與葉輪直徑的五次方成正比，與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，如果讓葉輪與泵殼同步回轉(zhuǎn)，液體在獲得動(dòng)能的過程中的圓盤摩擦損失就幾乎為零。
F.W.Krogh首創(chuàng)的簡(jiǎn)易皮托泵方案，采用集流管將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。但研制成動(dòng)的這種全新概念離心泵的流量小于1.1m3/h，且效率低于高速部分流泵，因此未被軍方接受。上世紀(jì)六十年代，由于理論研究和制造技術(shù)有了突破，旋殼泵又死灰復(fù)燃，美國開始研制這種全新概念離心泵，并改稱為皮托泵(Pitot pump)。出于技術(shù)保密的需要，皮托泵的美國專利名稱用離心泵。
1-2 皮托泵的結(jié)構(gòu)與工作原理
如圖1美國Kobe公司皮托泵的剖面圖所示，轉(zhuǎn)子部件兩端支撐的結(jié)構(gòu)是早期皮托泵的基本形式，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子部件重量加上轉(zhuǎn)鼓和葉輪充端液體后總重量很重，泵兩端支撐的皮托泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
圖1 美國Kobe公司轉(zhuǎn)鼓和葉輪兩端支撐的皮托泵剖面圖
從圖1看出，泵右端的機(jī)械密封與滾動(dòng)軸承之間的隔離密封一旦失效，機(jī)械密封的泄漏液進(jìn)入軸承，軸承很快損壞，整臺(tái)泵必須大修。
上世紀(jì)七十年代后期，美國Envirotech Pumpsystems公司發(fā)明的皮托泵改成如圖2所示的轉(zhuǎn)鼓和葉輪懸臂的結(jié)構(gòu)，機(jī)械密封在轉(zhuǎn)鼓的背面，即使機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏，從轉(zhuǎn)鼓前面的排液口引出，成為目前國內(nèi)外旋噴泵(皮托泵)的通用結(jié)構(gòu)形式。
圖2 美國Envirotech Pumpsystems公司轉(zhuǎn)鼓和葉輪懸臂的皮托泵剖面圖
皮托泵的三個(gè)核心件是轉(zhuǎn)鼓蓋(葉輪)、集流管、轉(zhuǎn)鼓。液體從進(jìn)液管進(jìn)入葉輪，因葉輪高速回轉(zhuǎn)獲得動(dòng)能和揚(yáng)程，高速液體進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓的外圍，部分高速液體從位于轉(zhuǎn)鼓最外圍處集流管的入口進(jìn)入。
因集流管的橫截面積逐步擴(kuò)大，液體流速逐步降低，從而將液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為揚(yáng)程，最后從出液管排除高壓液體。由于轉(zhuǎn)鼓蓋與轉(zhuǎn)鼓是聯(lián)為一體同步回轉(zhuǎn)，因此，液體在葉輪中獲得動(dòng)能的過程中，無圓盤摩擦損失。集流管的外部形狀為翼型斷面，使繞流阻力最小。
2. 皮托泵世界領(lǐng)先水平的研發(fā)公司和制造商的概況
掌握這些必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，避免出現(xiàn)用外匯進(jìn)口落后的旋噴泵，也避免了旋噴泵研究單位受到進(jìn)口的落后旋噴泵結(jié)構(gòu)的誤導(dǎo)而走了彎路。
1991年，我公司參加工程設(shè)計(jì)勞務(wù)出口的高工帶回了美國皮托泵資料，我們對(duì)其實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和技術(shù)數(shù)據(jù)有了進(jìn)一步了解，并找到了搜索皮托泵資料的渠道。
通過對(duì)國外泵會(huì)議皮托泵論文和幾十項(xiàng)美國專利說明書的分析，認(rèn)識(shí)到在小流量高揚(yáng)程工況，皮托泵與高速離心泵或多級(jí)離心泵相比，優(yōu)勢(shì)明顯。于是我公司在一些工程項(xiàng)目上逐步采用了美國Envirotech公司不同型號(hào)和規(guī)格的一批皮托泵，后來證實(shí)，該公司的皮托管泵產(chǎn)品處于皮托泵的世界領(lǐng)先水平。
從美國專利局網(wǎng)站上獲知，上世紀(jì)八十年代初期以前，世界上皮托泵專利權(quán)人主要是美國Kobe公司，七十年代末開始，美國Envirotech 公司的專利產(chǎn)品很快壟斷了皮托泵市場(chǎng)。
一直到去年皮托泵的專利說明書上，發(fā)明人是Envirotech Pumpsystems公司的Bryce Neilson，專利權(quán)人為Envirotech Pumpsystems, Inc.。該公司位于美國猶他州的首府著名的鹽湖城(Salt Lake City, UT) ，專注于皮托泵的研究和制造。
據(jù)百度網(wǎng)上資料介紹，德國、荷蘭STERLIN公司和日本HONDA KIKO公司的皮托泵產(chǎn)品，均屬于仿制Envirotech Pumpsystems公司專利已到期的產(chǎn)品，而新開發(fā)已進(jìn)入市場(chǎng)的新系列產(chǎn)品受專利保護(hù)，尚未發(fā)現(xiàn)被仿制。
英國威爾集團(tuán)公司看好該公司研制皮托泵的實(shí)力，收購了該公司以后，在鹽湖城注冊(cè)了威爾特種泵公司 (Weir Specialty Pumps，以下縮寫為WSP公司)，負(fù)責(zé)投標(biāo)和簽合同等商務(wù)工作，研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造仍由Envirotech Pumpsystems公司承擔(dān)?，F(xiàn)用一項(xiàng)工程實(shí)例 (重慶建峰化工公司日產(chǎn)1500噸合成氨裝置CO2汽提塔回流泵評(píng)標(biāo)) 來說明。
表1. 美國皮托泵與勝達(dá)因高速泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表(2007年評(píng)標(biāo)技術(shù)數(shù)據(jù))[7]
（流量27.4 m3/h，揚(yáng)程411m，介質(zhì)比重0.992，材料316SS）
注：
(1).按電費(fèi)0.48元/度，年運(yùn)行0.8萬小時(shí)。皮托泵年節(jié)電費(fèi)：(61.3-4,7.6)KW×0.8萬小時(shí)/年×0.48元/度= 5.3萬元/年
(2).開標(biāo)價(jià)為CIF上海港，已含開車備件費(fèi)、兩年備件費(fèi)、關(guān)稅10%、增值稅17%。
表1的工程實(shí)例說明：
(a) 針對(duì)上表的流量和揚(yáng)程，皮托泵技術(shù)性能明顯優(yōu)于高速泵。
(b) 兩臺(tái)美國皮托泵的開標(biāo)價(jià)比日本高速泵的開標(biāo)價(jià)低72萬人民幣。
表2. 皮托泵與高速泵的性能對(duì)比[7]
從表2可見，在小流量和超低比轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，皮托泵的效率比高速泵高得多，達(dá)到相同參數(shù)，皮托泵的轉(zhuǎn)速低得多，皮托泵不加誘導(dǎo)輪就能達(dá)到較低的必需汽蝕余量。
此外，皮托泵的最小連續(xù)流量很小，可減少泵最小流量保護(hù)回流的功率損失。但在大流量和揚(yáng)程不高時(shí)，皮托泵的效率比高速泵低, 但中流量和大流量時(shí)抗汽蝕性能差，NPSHr大(表中未寫出，本文后面用性能曲線圖21來說明)。
3. 國內(nèi)外皮托泵水力性能的進(jìn)展情況
3-1 葉輪和集流管揚(yáng)程的分配，是皮托泵水力設(shè)計(jì)的重要問題
葉輪、集流管和轉(zhuǎn)鼓是皮托泵的三個(gè)核心件，國內(nèi)發(fā)表的旋噴泵研究論文，大多是針對(duì)一個(gè)或兩個(gè)件，旋噴泵設(shè)計(jì)條件的揚(yáng)程如何正確分配到葉輪和集流管上，國內(nèi)發(fā)表的論文中還少見，還有的論文和中國專利提出了在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔設(shè)置葉片，此觀點(diǎn)不可取。
F.Korkowski和L.Glassburn. 2005年在加拿大卡爾加里市召開的國際泵會(huì)議上，演示了”小流量高揚(yáng)程泵的選擇”PPT的43/54頁面，介紹了WSP公司皮托泵工作原理圖，提出了葉輪和集流管各提供泵揚(yáng)程一半的揚(yáng)程分配原則。此揚(yáng)程的分配原則源于美國WSP公司泵設(shè)計(jì)與研發(fā)中心主任T.L.Angle等三人在第22屆國際泵會(huì)議上發(fā)表的”一種新穎的高壓泵系統(tǒng)”論文的”附錄A--皮托泵的水力原理”。
圖3 美國WSP公司皮托泵的工作原理圖
3-2 葉輪的水力設(shè)計(jì)
“旋轉(zhuǎn)噴射泵主要過流部件設(shè)計(jì)研究”文章[3]引用傳統(tǒng)小流量小流量心泵的設(shè)計(jì)方法，因小流量工況下流道擴(kuò)散，使流道內(nèi)產(chǎn)生附面層分離而引起的流動(dòng)失速；二次流是小流量工況下葉輪內(nèi)的軸向旋渦作用比較大，使葉輪工作面、背面相對(duì)速度相差大而引起的液體倒流。
由于脫流和二次流，泵的水力損失增大，工作性能不穩(wěn)定，揚(yáng)程和效率都大大降低。因此，在葉輪流道容易產(chǎn)生回流和脫流的部位增設(shè)短葉片，則可改善葉輪流道內(nèi)的速度分布，有效阻止附面層分離和脫流產(chǎn)生，圖4為長、短葉片均為后彎的S形復(fù)合葉輪。
此設(shè)計(jì)原則來源于1999年實(shí)測(cè)某廠進(jìn)口國外旋噴泵(Q=12.5m3/h、H=250m、n=4500r/min)的葉輪(8長+ 8短葉片)。圖4~7為中國旋噴泵和美國皮托泵專利的各兩張葉輪剖面圖。
圖4~7 中國旋噴泵和美國皮托泵專利的各兩張葉輪剖面圖
從后三張葉輪剖面圖可以看出，是將傳統(tǒng)小流量離心泵的葉片部分改作為液體的流道，其余金屬部分作為葉片，成為出角為80~90度的幅射狀等斷面流道，完全避免了脫流和二次流，制造也更容易。
3-3 集流管的水力設(shè)計(jì)
國內(nèi)對(duì)集流管的研究論文很多，需要補(bǔ)充集流管各斷面的橫截面積如何擴(kuò)大?如何減輕高速液流進(jìn)入集流管的第一個(gè)90度轉(zhuǎn)彎處的渦流和對(duì)面的脫流、回流，以便使速度能轉(zhuǎn)化為壓力能的效率高，需要開發(fā)出先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算程序,這是提高旋噴泵效率的關(guān)鍵，也是縮小我國旋噴泵效率和WSP公司差距的核心工作。
蘭州理工大為四川機(jī)械設(shè)計(jì)研究院研制的一臺(tái)Q = 22 m3/h、H = 240 m的旋噴泵，泵的效率高達(dá)42％[4]。與多級(jí)離心泵和勝達(dá)因高速泵相比，效率42%的確是高水平。但是WSP公司2002年的2200-S600型產(chǎn)品的性能曲線圖, 相同Q和H的效率從42%提高到65％，高了23個(gè)百分點(diǎn)，可見我國研制的旋噴泵還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，還需努力[4]。
圖8 WSP公司2200-S600型皮托泵產(chǎn)品的性能曲線圖
圖9 WSP公司2200-S375型皮托泵產(chǎn)品的性能曲線圖
請(qǐng)注意圖8~9性能曲線圖的如下五條技術(shù)信息：
(1).皮托泵屬于離心泵，符合離心泵的相似定律，即流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比、揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比；
(2).皮托泵的最小連續(xù)流量Qmin很小，最小連續(xù)流量線是斜線，轉(zhuǎn)速降低，Qmin更??；
(3).性能曲線圖上提供了泵最小流量保護(hù)回路上的限流孔板的直徑;
(4).揚(yáng)程曲線有駝峰，泵的工作點(diǎn)應(yīng)在駝峰的右邊；
(5).中流量和大流量時(shí)抗汽蝕性能很差，NPSHr大。
3-4 轉(zhuǎn)鼓的水力設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)鼓的作用：將葉輪出口的高速液流以盡量小的揚(yáng)程損失引入集流管進(jìn)口, 轉(zhuǎn)鼓并不能用于增加揚(yáng)程，有論文和中國專利說明書采用在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔設(shè)置葉片的結(jié)構(gòu)不可行。為減小轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔表面的滑移損失, 轉(zhuǎn)鼓腔的內(nèi)表面進(jìn)行了拋光。
WSP公司在技術(shù)交流時(shí)講過，轉(zhuǎn)鼓底部有兩個(gè)大圓弧，這是因?yàn)槿~輪出口排出的高速液體，只有部分進(jìn)入集流管，大部分在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔中循環(huán)，具有與勝達(dá)因高速部分流泵相似的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔的型線如何設(shè)計(jì)，對(duì)減少液體在腔內(nèi)循環(huán)時(shí)的能量損失有較大關(guān)系。
蘭州理工大學(xué)劉宜教授等人”旋噴泵轉(zhuǎn)子腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬計(jì)算”文章指出：國內(nèi)對(duì)旋噴泵研究多數(shù)集中于泵葉輪、集流管設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面，對(duì)轉(zhuǎn)子腔結(jié)構(gòu)研究得很少[14]，這也是國內(nèi)旋噴泵效率較低的主要原因之一。(建議將"轉(zhuǎn)子"改為"轉(zhuǎn)鼓"，因?yàn)?quot;轉(zhuǎn)子"是指葉輪、轉(zhuǎn)鼓、軸、軸承等組裝在一起的轉(zhuǎn)動(dòng)部件)。
文中的"轉(zhuǎn)子腔的外緣增加凸棱"令人費(fèi)解，仔細(xì)研讀后才明白，作者是為了增加轉(zhuǎn)鼓腔外緣處的速度，集流管的頂部半徑略大于轉(zhuǎn)鼓腔的內(nèi)半徑，因此在轉(zhuǎn)鼓腔的圓筒內(nèi)壁開凹槽，為了不削弱轉(zhuǎn)鼓圓筒的強(qiáng)度，在凹槽相應(yīng)位置的圓筒外壁增加凸棱，但文中和轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)圖上未交待。
作者未注意到，轉(zhuǎn)鼓與葉輪是用外徑大又厚的法蘭連接，即使加凹槽也不會(huì)削弱轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度，轉(zhuǎn)鼓的外壁無需有凸棱。這是受到國內(nèi)旋噴泵文章、研究生論文和專利說明書上的“旋噴泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖”上，未表示出轉(zhuǎn)鼓與葉輪是用外徑大的厚法蘭連接的影響。
這張旋噴泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖十多年不變，還存在軸承型式不能用于泵進(jìn)口有壓力的工況，建議以后參照本文提供的WSP公司皮托泵實(shí)際產(chǎn)品的泵剖面圖，重新繪制“旋噴泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖”。
圖15是參考文獻(xiàn)[14] CFD數(shù)值模擬所用的轉(zhuǎn)子腔的結(jié)構(gòu)圖(原為圖1 )，是一個(gè)平底，與圖16.WSP公司皮托泵轉(zhuǎn)鼓零件圖相比，差異很大，WSP公司轉(zhuǎn)鼓底部有兩個(gè)大圓弧，葉輪內(nèi)蓋板有有一個(gè)小圓弧，這是因?yàn)槿~輪出口排出的高速液體，只有部分液體進(jìn)入集流管，大部分在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔中循環(huán)，具有勝達(dá)因高速部分流泵的特點(diǎn)。
WSP公司在技術(shù)交流時(shí)講，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔的型線如何設(shè)計(jì)，對(duì)減少液體在腔內(nèi)循環(huán)時(shí)的能量損失有較大關(guān)系。此結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)鼓如用于雙集流管，轉(zhuǎn)鼓腔的圓筒內(nèi)壁不必開凹槽，否則雙集流管裝不進(jìn)去。
CFD數(shù)值模擬技術(shù)，具有邊界參數(shù)調(diào)整方便、成本低廉、實(shí)驗(yàn)周期很短等優(yōu)勢(shì)，被國內(nèi)外廣泛采用。采用CFD技術(shù)的科研成果要有實(shí)用價(jià)值，必須有兩個(gè)步驟：
其一，在利用解析方法研究復(fù)雜的流體流動(dòng)問題，對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)化處理時(shí)，原始條件要正確，關(guān)鍵條件不可遺漏，抽象出來的簡(jiǎn)化模型與工程實(shí)際產(chǎn)品不可差異較大。
其二，必須有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此實(shí)驗(yàn)條件的內(nèi)容應(yīng)與工業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的接近，如果CFD解析研究結(jié)果，僅僅用泵的性能試驗(yàn)來驗(yàn)證還不夠，如缺乏流場(chǎng)和壓力的定量分布，可能會(huì)影響其學(xué)術(shù)價(jià)值及應(yīng)用效果。
流場(chǎng)信息的測(cè)量是泵、水輪機(jī)等流場(chǎng)研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，采用粒子圖像測(cè)速儀(PIV, Particle Image Velocimetr)，在流場(chǎng)中布撒示蹤粒子，應(yīng)用現(xiàn)代激光測(cè)試技術(shù)，可以非接觸地獲得瞬間、全流場(chǎng)的流動(dòng)信息，現(xiàn)已成為現(xiàn)代流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)之一，并且得到了廣泛應(yīng)用。
該技術(shù)對(duì)于旋噴泵轉(zhuǎn)鼓和集流管內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)、流速和壓力分布的研究極為有益。建議借鑒國內(nèi)一些高校，如大連理工大學(xué)、華北水利水電學(xué)院、西南石油大學(xué)[15]已有十年左右應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的這項(xiàng)新技術(shù)。
4. 國內(nèi)外皮托泵在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的差距
4-1 皮托管徑向力的平衡
國內(nèi)外現(xiàn)有皮托泵普遍用單集流管，并且是懸臂支承，因?yàn)閺霓D(zhuǎn)鼓軸線到轉(zhuǎn)鼓外緣，液體壓力與轉(zhuǎn)鼓半徑的二次方成正比分布，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔外圍的液體壓力最高，單集流管受到液體向下徑向力將下垂，造成葉輪軸線處內(nèi)孔偏磨，內(nèi)回流量加大，降低泵效率。
中海油惠州煉油分公司“噴射泵特點(diǎn)及其在加氫裂化裝置的應(yīng)用”一文[16]，介紹了進(jìn)口威爾公司高壓注水泵的應(yīng)用情況。該泵的型號(hào)為ROH S-375S(單集流管)，文中認(rèn)為沒有不平衡的徑向力，主要參數(shù)：設(shè)計(jì)流量19.8 m3/h、揚(yáng)程1233 m、轉(zhuǎn)速5812 rpm、電機(jī)功率135kW。
該泵運(yùn)行的初期振動(dòng)很大，用戶又將泵的混凝土基礎(chǔ)加深加大，管道支撐進(jìn)行了加固，振動(dòng)減輕。后來幾年使用中，只要供水管道過濾器的定期清洗稍有放松，雜質(zhì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)腔的壁上逐漸積聚，振動(dòng)又超標(biāo)，必須拆泵、清洗轉(zhuǎn)子和重裝泵，維修工作量很大。
2017.5.31授權(quán)的 ”一種改進(jìn)容積效率的旋噴泵及改進(jìn)方法” 發(fā)明專利[17]，為減少轉(zhuǎn)子腔內(nèi)液體從集流管水平段穿過葉輪的間隙處的泄漏，采用迷宮密封。
但迷宮密封是用于氣體介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的軸端密封，是在軸和固定件之間有若干環(huán)形截流間隙與膨脹空腔，氣體在迷宮中經(jīng)多次壓縮、膨脹和旋渦的熱力學(xué)效應(yīng)，使氣體的壓力降低，從而達(dá)到減少泄漏的目的，但對(duì)于體積與壓力關(guān)系很小的液體，迷宮密封的效果很有限。該專利只是被動(dòng)地去堵漏，而并未認(rèn)識(shí)到問題的根源：
一是單集流管受到了液體向下徑向力；
二是集流管懸臂安裝。這兩個(gè)因素造成集流管徑向投影面受到液體徑向力作用后，集流管水平段的懸臂端將下垂，造成葉輪軸線處內(nèi)孔偏磨。
江蘇大學(xué)為解決上述問題，提出了集流管兩端支承代替懸臂安裝的解決方案，申請(qǐng)了”一種集流管兩端采用中心支承的旋殼泵”發(fā)明專利[17]，圖18是該發(fā)明專利申請(qǐng)說明書的旋殼泵剖面圖。
該發(fā)明解決方案的失誤是，在轉(zhuǎn)鼓軸線處的鼓底上設(shè)置了集流管導(dǎo)軸承，導(dǎo)軸承16內(nèi)側(cè)腔是一個(gè)死區(qū)，液體不流動(dòng)，不能帶走滑動(dòng)軸承的摩擦熱，液體溫度上升，黏度大幅下降，甚至汽化，因喪失潤滑功能，導(dǎo)軸承干摩擦而損壞。此發(fā)明專利2013.2.20申請(qǐng)，2017.3.29被駁回。此發(fā)明專利也未認(rèn)識(shí)到單集流管是造成葉輪中央孔單側(cè)接觸磨損的根源。
十多年來，國內(nèi)旋噴泵文章、研究生論文和專利說明書上的“旋噴泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖”上，集流管全部是單集流管。專利發(fā)明人和專利權(quán)人均為Envirotech Pumpsystems公司2019.5.7的美國專利采用雙集流管[9]，WSP公司最新系列皮托泵全部用雙集流管。
圖19 美國Envirotech Pumpsystems公司皮托泵剖面圖, US 10,280,925[9]
筆者仔細(xì)研究了這項(xiàng)皮托泵的最新美國專利，發(fā)現(xiàn)還存在如下缺陷：
（1）用雙集流管，徑向力平衡，是成功的。但集流管仍然是懸臂安裝，集流管水平段的端頭與端蓋配合長度很短(圖上用紅圓圈標(biāo)出)，如有制造誤差，將降低運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；
（2）為解決現(xiàn)有懸臂式皮托泵的轉(zhuǎn)鼓和葉輪充滿液體后重量很大，用于高壓、高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，故障率高的問題，該專利又回到早期皮托管泵的轉(zhuǎn)子部件為雙支撐的結(jié)構(gòu)，如何嚴(yán)防兩端滾動(dòng)軸承進(jìn)液的密封結(jié)構(gòu)，該專利未涉及。
（3）皮托管水平段的端頭與端蓋配合處，遺漏了密封泵出口壓力的O形圈，圖上的紅圓圈處。
4-2 轉(zhuǎn)鼓的軸向力，軸承型式與組合。
國內(nèi)很多旋噴泵文章和研究生論文章認(rèn)為，旋噴泵轉(zhuǎn)鼓中基本上無軸向力，因此一些旋噴泵專利說明書上泵剖面圖的軸承型式不合理，現(xiàn)以國內(nèi)旋噴泵研制最早，市場(chǎng)銷售量國內(nèi)領(lǐng)先的四川日機(jī)的一項(xiàng)較新的專利說明書泵剖面圖為例，提出改進(jìn)建議。
圖20 四川日機(jī)旋噴泵剖面圖，實(shí)用新型CN 2476668 Y，2002.2.13. [19]
旋噴泵設(shè)計(jì)者未注意到，轉(zhuǎn)鼓所受到的軸向力高低，取決于泵的進(jìn)口壓力。圖20的缺陷是，驅(qū)動(dòng)端軸承為圓柱滾子軸承，不能承受軸向力，前軸承為深溝球軸承，承受充滿液體較重轉(zhuǎn)鼓的徑向力后，軸承剩余能力只能承受較小的軸向力。
WSP公司各種系列皮托泵的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是，驅(qū)動(dòng)端軸承為一對(duì)背靠背角接觸軸承，兩軸承之間有隔離環(huán)，環(huán)上有孔，將潤滑油引入外側(cè)軸承，加隔離環(huán)增加了這對(duì)軸承的支承剛度。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)皮托泵的最高允許進(jìn)口壓力為14bar.G，WSP公司有一種獨(dú)特的軸承組合形式，見圖21。
圖21 WSP公司高進(jìn)口壓力皮托泵驅(qū)動(dòng)端用四個(gè)軸承的組合形式
為了承受泵的高進(jìn)口壓力產(chǎn)生的指向驅(qū)動(dòng)端的軸向力，原來的軸承座不用改，僅在軸上多裝兩個(gè)外圈的大端向驅(qū)動(dòng)端的角接觸軸承，軸承外圈懸空，多裝的這兩個(gè)角接觸軸承只承受軸向力，這樣增加了承受軸向力的能力。
這種創(chuàng)新性很突出的軸承組合形式，國內(nèi)外罕見，可以用在需承受高進(jìn)口壓力的其它型式泵上，如石化裝置中，高進(jìn)口壓力OH2型循環(huán)泵。圖上的”ROB“用于皮帶傳動(dòng)，承受徑向力。
5. 發(fā)揮皮托泵在超高揚(yáng)程領(lǐng)域上的優(yōu)勢(shì)，急待解決的技術(shù)難題
5-1 中流量和大流量時(shí)的抗汽蝕性能很差
現(xiàn)以WSP公司ROH-D600型雙集流管皮托泵的性能曲線圖(圖21)為例的說明，該型號(hào)泵最高效率點(diǎn)的參數(shù)為：流量100 m3/h、揚(yáng)程1360 m、轉(zhuǎn)速6321RPM、效率61%、NPSHr=23m；流量140 m3/h時(shí)的NPSHr高達(dá)40m?？梢?，皮托泵在大流量時(shí)的抗汽蝕性能很差，限制了皮托泵的使用范圍。
圖22 WSP公司ROH-D600型雙集流管皮托泵性能曲線圖
5-2 充滿液體的懸臂式轉(zhuǎn)鼓在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的故障率較高
因?yàn)槠ね斜玫霓D(zhuǎn)鼓和葉輪充滿液體后重量很大，國內(nèi)石化廠進(jìn)口皮托泵，只要揚(yáng)程超過1000米左右，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大，故障率高。國內(nèi)有些旋噴泵的招標(biāo)文件中，規(guī)定泵的轉(zhuǎn)速不得超過3000 rpm，制約了旋噴泵(皮托泵)在高揚(yáng)程和超高揚(yáng)程領(lǐng)域上優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。
目前，旋噴泵(皮托泵)存在的這兩項(xiàng)技術(shù)難題急待解決。
6. 結(jié)束語
皮托泵在小流量超高揚(yáng)程領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)明顯，美國皮托泵研制者為了技術(shù)保密，幾十年來，皮托泵專利名稱不寫“旋噴泵或旋殼泵"。皮托泵的水力設(shè)計(jì)的專利也僅僅在上世紀(jì)六十年代才發(fā)現(xiàn)，本世紀(jì)國內(nèi)外專利文獻(xiàn)中不再出現(xiàn)。限于篇幅，本文僅介紹了部分有價(jià)值的皮托泵美國專利，并為我國旋噴泵研制者提供了搜索皮托泵資料的渠道。
本文針對(duì)我國旋噴泵研究和制造的權(quán)威單位，在葉輪、集流管和轉(zhuǎn)鼓的水力設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)方面還存在的缺陷，奉獻(xiàn)十多年來進(jìn)口美國皮托泵工作中收集的資料和工程經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)我國旋噴泵的研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用有所啟迪，以便盡快縮小與美國Envirotech泵公司還存在的很大差距。
作者：王波 魏宗勝，中國成達(dá)工程有限公司 來源:泵友圈
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