皂河一站混流泵设计

摘 要

为了满足南水北调东线工程泵站的高效率、高可靠性的要求，提出了水泵针对性设计的概念。皂河一站所采用的是混流泵，而目前国内已经研制出的混流泵水力模型已经不足以提供越来越多各种流量扬程混流泵的选择，针对一个站设计的模型泵在一定意义上也提供了其他泵选择的机会。

本文在参考已有优秀的混流泵水力模型的情况下，简单进行了一个混流泵的设计，希望能对混流泵的发展起到一些作用。

关键词

混流泵水力模型结构设计叶轮

中图分类号： S611 文献标识码： A

一：水力模型的选择

1.1基本情况介绍

皂河一站是南水北调东线第一期工程江苏境内的第六梯级泵站之一，位于江苏省宿豫区皂河镇北约5km处。该工程1978年11月破土动工，1986年4月抽水试运行，1987年3月竣工，是我国单机流量最大的泵站。该站工程等别为Ⅰ等，泵站规模为大（1）型。

皂河一站安装2台6HL-70型立式全调节混流泵，配TL7000-80/7400型立式同步电动机2台。单机流量为100m3/s，总装机流量为200m3/s，总装机容量为14000kW。泵站设计扬程5.78m。皂河一站更新改造工程主要包括主机组及辅助设备、金属结构以及变配电设备的更新改造等。

泵站水位组合与特征扬程见表1。

表1皂河一站水位特征扬程

现需设计该站改造后的模型泵，根据国内各泵站水泵选型和使用经验，参考国外有关泵站水泵的选型，并且分析试验结果，选择了HB60水力模型。

1.2水泵模型参数

HB60水力模型 是由扬州大学为南水北调东线工程研制的高比转数混流泵水力模型，混流泵模型装置性能曲线如图1。

设计水泵模型高效点性能参数：

模型叶轮进口直径D=300mm

转数n=1450rpm

比转数ns=694

流量Q=392L/S

扬程H=8.04m

效率=85.9%

图1混流泵装置性能曲线

二、水泵的结构

2.1水泵结构的选择

水泵结构型式：立式导叶体单级混流泵

水泵装置型式：钟型进水流道，涡壳式出水流道

混流泵与离心泵相比 ，流量较大，扬程较低；但与轴流泵相比，却是流量小，扬程较高。从性能上来看，它是介于离心泵与轴流泵之间的一种泵。因此混流泵的结构也有与此相适应的特点，此款混流泵比转数较高，其基本结构型式接近于轴流泵。

采用立式结构型式的主要目的是为了减小大型泵站机组的占地面积，一般通过联轴器与电机直联传动，且轴向力由装于电机上部的轴承承受，简化泵的结构。

水泵进出水流道都采用钢筋混凝土结构。叶轮座和衬圈分别被埋入水泵的混凝土进出水管中，导叶体用螺栓和衬圈固定，叶轮座和导叶体中间按装固定叶轮外壳。为便于装拆，在导叶体和叶轮外壳联结法兰中间加垫铁。这种结构型式，加强了水泵壳体的刚性；同时，因水泵进出水流道采用钢筋混凝土结构，节省大量的金属材料，安装维护也较方便。

2.2叶片调节机构的选择

水泵叶片是采用半调节的，叶片可以调节角度。叶片全调节，增加了叶片转动机构及控制系统。它相对固定或半调节叶片的结构，增加了泵的造价。但对整个机组而言，占的比重是很小的。一般采用叶片全调节，能使机组效率经常保持在最佳工况内，相程、流量变化时，仍能使机组在满载情况下运转，充分发挥配套电机的作用。混流泵的叶片，可分为固定、半调节和全调节三种形式。一般来说，对于口径和功率较小的混流泵，特别是模型泵的情况下，都制成结构简单的半调节叶片，当停机时，用人工方法改变叶片的角度，所以，希望水泵始终在高效区运转，即是水泵在运转过程中，也能实现叶片的调节。

叶片调节可采用手动操作和自动控制相结合的两种方法。当用手动操作时，将自动控制系统中的蜗轮脱开。自动调节时，操作手轮随操作杆一起旋转。

若只采用手动操作，调节机构简单，但不易实现泵站运行的自动化，自动控制调节叶片，就能使水泵机组及时的在合理的工况下运行，但自动化元件较多，调节技术较复杂。

无论是人工操作还是自动控制，都是根据泵站水位或配套电机功率变化，人为地或自动的实现叶片的调节，使水泵机组在新的工况下运行。

2.3水泵结构

水泵结构包括：叶轮座、叶轮外壳、导叶体、叶轮、泵主轴、轴的密封、导轴承及密封装置、联轴器，现分别叙述。

2.3.1叶轮座

叶轮座为整体铸铁件，是泵的支撑部分。如图叶轮座，叶轮座上均匀分布4片固定导叶，起导流作用，在和叶轮外壳联接的法兰上设有梯形槽，安装时嵌入橡胶绳，以利止水，叶轮座下半部分埋入水泵进口的混凝土中。

叶轮座的中心位置，可供装拆转轮是，放置油压，千斤顶。四片固定叶片须承受转轮的重量。

2.3.2导叶体

导叶体的作用是使液体旋转运动的动能转变为压力能，同时将液体输送到出水管闪去。

导叶体为整体铸铁件，中间设下橡胶轴窝，有均匀分布的五片固定导叶。导叶体内装水橡胶导轴承。在导叶体与叶轮外壳的止口处和衬圈联结的法兰上均设有供按装橡胶绳止水的梯形槽。导叶体用螺栓与浇入混凝土内的衬圈联结。 2.3.3叶轮外壳及叶片

叶轮外壳是水流通过转轮转换能量的地方。叶轮外壳为球壳体，以便使球形叶片在内做任意调角时，保持叶片间隙不变。考虑到木模制造、浇铸工艺和拆装方便，将叶轮外壳分半制造。叶轮体为分半铸钢件，用法兰联接，球面上均匀布置四张叶片。叶片和枢轴分开制作，用螺栓紧固，并有销钉定位，这样，便于加工和安装。材料分别为铸钢和锻钢。螺栓承受转动时的离心力，销钉承受升力引起的水力矩形成的扭转力。

2.3.4泵主轴

主轴材料为35号锻钢。外径50毫米。因其为半调节式叶轮，采用实心轴。泵轴上端设弹性联轴器与电机轴相连，下端设法兰与叶轮螺母相接。

制造安装要求：为了便于轴上零件的装拆，将轴做成阶梯状。轴的直径从轴端逐渐向中间增大。可以依次将轴上零件如套筒、导轴承、轴承盖装拆，推力轴承、联轴器从另一端装拆。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。轴上磨削的轴段有砂轮越程槽。

2.3.5轴的密封

泵轴采用机械密封。

机械密封的结构应满足高转速的要求，旋转部分只有由轴套固定的极易平衡的动环，而其他部分带有弹簧、密封圈和浮动静环等不易平衡的部分作为密封的静止部分。密封面的宽度应比较窄，以减少由于高速摩擦产生的热量。

在此设计中选用某公司生产的新型机械密封BGM7系列，产品说明：该密封系列是单端面的，非平衡型，任意旋向且符合EN12756(DIN24960)标准的，BGM7系列应用广泛,互换性强,结构紧凑.推环由传动搭子卡住,防止弹簧脱落.性能可靠,广泛应用于石油化工泵中。

材料组合

密封端面: 石墨、碳化硅、碳化钨、氧化铝

辅助密封: 丁腈胶、氟橡胶、乙丙胶、硅橡胶、PTFE

金属构件: 不锈钢

运行参数

规 格: 14～200 mm

压 力: ≤2.5 Mpa

温 度: -50～220℃

线 速 度: ≤20m/s图2 机械密封

轴向窜动量

d1≤25 :±1.0 mm

d1≥28～63 :±1.5 mm

d1≥65 :±2.0 mm

该型机封的驱动方式是用键传递扭矩。带螺纹泵机封主要是用在密封腔内液体需要自循环的工况。

2.3.6导轴承及密封装置

水泵导轴承用来承受水泵运转时可能出现的径向力，使机组主轴保持垂直位置。此设计采用滚动轴承及毡圈油封密封，对轴承的磨损小，运转时机组稳定性好。

2.3.7联轴器

此设计轴的联结采用弹性柱销联轴器，它结构简单，更换柱销方便，能够缓和冲击、吸收振动，适用于正反向变化多、启动频繁的高速轴。

具体联轴器的介绍计算参见以下章节。

图3 弹性柱销联轴器

本文所完成的只是一个基本的水泵的设计，其中具体的参数计算和核算限于篇幅未一一列出。关于轴流泵与离心泵的结构设计计算都有比较完整的一套设计体系，而关于单独混流泵的资料就比较少，随着混流泵的大力开发，应该有更多相关的研究书刊来解决这个问题。