船塢主泵選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

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摘要：船塢泵大多按照普通的導(dǎo)葉式混流泵進(jìn)行設(shè)計(jì)使用，實(shí)則不然，不同工況、不同介質(zhì)對(duì)水泵要求是不同的，尤其船塢主泵功率很大，高效節(jié)能是必須考慮的。本文對(duì)大型船塢泵項(xiàng)目中的主泵進(jìn)行了選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的介紹，運(yùn)用了新的選型方法、使用了新的結(jié)構(gòu)形式，并在實(shí)際使用中得到了驗(yàn)證，取得了良好的效果。

引言

2021年，我國(guó)船舶企業(yè)繼續(xù)保持全球第一，占世界總量的50％左右。船舶建設(shè)或者維修船舶都需要在船塢中進(jìn)行，在新船沒(méi)下水的時(shí)候，需要在船塢中完成對(duì)船底接觸水面部分的施工建設(shè)，避免因?yàn)檫^(guò)早接觸水面而引發(fā)施工和質(zhì)量問(wèn)題；船塢也可以為已經(jīng)下水的船只提供后期的修理和維護(hù)，可以讓船只進(jìn)入后，實(shí)現(xiàn)脫離水面，方便船舶修理和養(yǎng)護(hù)。在每一個(gè)船塢中都有一套灌排水系統(tǒng)，排水主要配套船塢主泵、副泵、排水管道及閥門。主泵用來(lái)排空塢室內(nèi)的水，副泵用來(lái)排除雨水、地下滲水，并在最后排空船塢內(nèi)的水時(shí)代替主泵工作。船塢泵多采用斜流泵，主泵采用雙基礎(chǔ)安裝，副泵選用單基礎(chǔ)安裝。本文結(jié)合筆者公司承接的某船塢項(xiàng)目，介紹了船塢主泵選型及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，供讀者參考。

1水泵主要參數(shù)

本次泵組是南方地區(qū)某船塢工程的抽排水設(shè)備，其中主泵和輔泵是導(dǎo)流廊道配水。主泵廊道斷面尺寸5m×5m，輔泵廊道斷面尺寸4m×5m。水泵層標(biāo)高－137m，出水管標(biāo)高067m，介質(zhì)為海水和含沙廢水。采用3臺(tái)1800kW排水主泵及電機(jī)、2臺(tái)500kW排水輔泵及電機(jī)、3臺(tái)110kW排水輔泵和雨水泵及電機(jī)，泵組安裝基礎(chǔ)部件和配套連接件。船塢主泵主要參數(shù)口徑、流量、揚(yáng)程、效率、轉(zhuǎn)速、功率等符合表1規(guī)定。根據(jù)參數(shù)要求，水泵型號(hào)確定為2000HD－15SZ，其中2000為水泵出水口徑，為2m；HD為斜流泵；15為設(shè)計(jì)揚(yáng)程15m；SZ為轉(zhuǎn)子可抽出式結(jié)構(gòu)。水泵和電機(jī)分層安裝，軸向力由電機(jī)承受，水泵俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，出水口位于水泵和電機(jī)安裝層中間，水泵層采用閉式安裝方式。

2水泵選型

水泵選型是建設(shè)泵站的關(guān)鍵一步，選出優(yōu)秀的水力模型是水泵高效運(yùn)行的關(guān)鍵。關(guān)醒凡教授在《大中型低揚(yáng)程泵選型手冊(cè)》中詳細(xì)介紹了新的選型方法———選型系數(shù)法，本項(xiàng)目采用該方法進(jìn)行選型［1］，如表2所示。流量系數(shù)＝泵裝置最高效率點(diǎn)流量÷泵段最高效率點(diǎn)流量揚(yáng)程系數(shù)＝泵裝置最高效率點(diǎn)凈揚(yáng)程÷泵段最高效率點(diǎn)揚(yáng)程KH＝HZ／HD（2）效率系數(shù)＝泵裝置最高效率點(diǎn)效率－泵段最高效率點(diǎn)效率Kη＝ηZ－ηD（3）根據(jù)主泵參數(shù)計(jì)算水泵比轉(zhuǎn)速ns［2］：ns＝365槡nQH34＝5269（4）式中，Q單位為m3／s（對(duì)雙吸泵取Q／2）；H單位為m（對(duì)多級(jí)泵取單級(jí)揚(yáng)程）；n單位為r／min。根據(jù)比轉(zhuǎn)速選擇TJ11－HL－05號(hào)水力模型并結(jié)合選型系數(shù)法進(jìn)行選型，水泵運(yùn)行曲線如圖1所示。

3水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水泵機(jī)組采用雙基礎(chǔ)立式安裝方式，電機(jī)與泵安裝在各自的基礎(chǔ)層上。泵吐出口在泵基礎(chǔ)層上，水泵層采用閉式安裝，泵組軸向推力由電機(jī)承受，水泵外接淡水潤(rùn)滑和冷卻水，淡水來(lái)自于生活水管，冷卻水排至水泵層潛污泵坑，泵組聯(lián)軸器為剛性連接，軸向密封采用填料函，俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

31抽芯式結(jié)構(gòu)

電廠循環(huán)水泵采用抽芯式結(jié)構(gòu)形式比較多。目前，國(guó)內(nèi)船塢主泵大多為1200口徑到1600口徑，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子和水泵一體式結(jié)構(gòu)為主，因本船塢主泵屬于大型泵，為了便于安裝，以及大修時(shí)快速?gòu)?fù)原使用，船塢主泵選用抽芯式結(jié)構(gòu)。抽芯部件包括葉輪、轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉體、泵軸、軸護(hù)管、中間支承部件、導(dǎo)流板以及導(dǎo)軸承等部件，剩余的進(jìn)水喇叭、導(dǎo)葉外筒、出水三通、接長(zhǎng)直管等組成殼體部件，最大優(yōu)勢(shì)是檢修時(shí)基礎(chǔ)部件和水泵出水管路都不用拆卸，直接將抽芯部件從泵體部件中抽出檢修，大大縮短時(shí)間。產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

32水力部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉輪和導(dǎo)葉體是水泵的核心部件，水泵性能及穩(wěn)定性多取決于葉輪和導(dǎo)葉體。在通過(guò)選型系數(shù)法選擇出優(yōu)秀的水力模型之后，結(jié)構(gòu)、加工制造就顯得尤為重要，葉輪采用整體鑄造，葉輪經(jīng)過(guò)加工中心整體加工，葉片表面粗糙度可達(dá)到16μm，表面流線光滑準(zhǔn)確。加工好的葉片使用高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)采集葉片表面數(shù)據(jù)，在電腦上自動(dòng)生成葉片三維圖，與設(shè)計(jì)的葉片三維模型進(jìn)行對(duì)比，確保葉片型線與設(shè)計(jì)相符，同時(shí)葉輪經(jīng)過(guò)公司內(nèi)高精度動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)可以達(dá)到G25級(jí)要求，進(jìn)一步提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。導(dǎo)葉體對(duì)于性能影響也非常大，往往被忽略，本項(xiàng)目導(dǎo)葉體選擇鑄焊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉片單獨(dú)進(jìn)行鑄造，并在鑄造后對(duì)導(dǎo)葉片進(jìn)行數(shù)控加工，同樣經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)，以確保導(dǎo)葉片型線準(zhǔn)確。焊接后導(dǎo)葉體內(nèi)部流道光滑，提高了水泵運(yùn)行效率，使水泵一直處于高效率運(yùn)行，高效節(jié)能。

33多軸承設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目水泵安裝層標(biāo)高為－137m，流道層底板標(biāo)高為－197m，減去1m懸空高度，基礎(chǔ)下泵體長(zhǎng)度仍然達(dá)到了5m，加上基礎(chǔ)上的泵座和出水三通長(zhǎng)度整體泵體長(zhǎng)度達(dá)到8m，水泵軸長(zhǎng)度接近10m，一般在填料下方、導(dǎo)葉體內(nèi)和中間支承處設(shè)置3個(gè)導(dǎo)軸承。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)計(jì)算軸系臨界轉(zhuǎn)速及參考以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，將導(dǎo)軸承數(shù)量設(shè)置為4個(gè)，第4個(gè)安裝在近葉輪處，4個(gè)導(dǎo)軸承承受機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的徑向力，同時(shí)適當(dāng)加大軸徑，并選擇賽龍SXL作為導(dǎo)軸承瓦材質(zhì)，3個(gè)方案同時(shí)使用確保水泵穩(wěn)定運(yùn)行。

34泵軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸向力由電機(jī)軸承承受，泵軸材質(zhì)為雙相不銹鋼，水泵軸和電機(jī)軸剛性連接，電機(jī)軸和水泵軸頭都直接鍛法蘭，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)對(duì)兩法蘭配鉸螺栓孔之后安裝螺栓。同時(shí)，為降低廠房高度，水泵主軸采用分段設(shè)計(jì)，上軸和下軸之間用剛性聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器鍵槽采用線切割，泵軸鍵槽采用加工中心加工，最大限度保證同心度。為保證泵軸壽命、保護(hù)泵軸配合面，在主軸的導(dǎo)軸承配合面、填料配合面采用堆焊不銹鋼工藝，可以提高軸頸表面硬度（不低于45HRC），大大提高泵軸的耐磨性能。

35防抽芯部件旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

在水泵運(yùn)行中抽芯部件存在受力旋轉(zhuǎn)的隱患，需要增加防旋轉(zhuǎn)措施，在轉(zhuǎn)輪室背面每90°設(shè)置一個(gè)防轉(zhuǎn)筋板，同時(shí)在導(dǎo)葉外筒內(nèi)壁每90°設(shè)置一個(gè)防轉(zhuǎn)卡槽，在抽芯部件插入到殼體部件安裝時(shí)，轉(zhuǎn)輪室上防轉(zhuǎn)筋板安裝到導(dǎo)葉外筒的防轉(zhuǎn)卡槽內(nèi)，此結(jié)構(gòu)可消除防轉(zhuǎn)隱患，在實(shí)際工程中已得到應(yīng)用。

4水泵材料選擇

因本項(xiàng)目建在海邊，水泵輸送介質(zhì)為海水，水泵材質(zhì)的耐海水腐蝕性至關(guān)重要，要慎重選擇。本項(xiàng)目船塢主泵主要過(guò)流部件材質(zhì)均選擇雙相不銹鋼，文獻(xiàn)［3］中詳細(xì)介紹了海水介質(zhì)水泵的材料選擇，本處不多論述，具體選擇如表3所示。

5現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果

本項(xiàng)目船塢泵在公司取得CNAS認(rèn)證的測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了真機(jī)原速全性能測(cè)試，廠內(nèi)測(cè)試臺(tái)池深18m，軌高24m，水泵完全1∶1真機(jī)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)合格后發(fā)貨到現(xiàn)場(chǎng)。2021年5月，現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后順利通過(guò)驗(yàn)收，并于當(dāng)年投入運(yùn)行，截至目前，運(yùn)行效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

6結(jié)論

通過(guò)該項(xiàng)目大型船塢主泵研發(fā)及使用，說(shuō)明在大型斜流泵選型中采用選型系數(shù)法更加準(zhǔn)確，所選水泵更能滿足實(shí)際工程需要，選型軟件的應(yīng)用也大大提高了工作效率。同時(shí)，抽芯式水泵較普通型泵在解決了軸系穩(wěn)定及可能存在旋轉(zhuǎn)問(wèn)題后優(yōu)勢(shì)明顯，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

［1］關(guān)醒凡．大中型低揚(yáng)程泵選型手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019．

［2］關(guān)醒凡．現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)［M］．北京：中國(guó)宇航出版社，1995．

［3］王玉心．海邊電廠循環(huán)水泵材料選擇研究［J］．通用機(jī)械，2017（11）：50－52，64．

作者:王玉心 單位:上海凱泉泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司