2006年第34卷第5期 流 体 机 械 31
文章编号: 1005—0329(2006) 05—0031—03
技术进展
轴流式强制循环泵的研究现状
杨敏官, 李 忠
(江苏大学, )
摘 要: , 总结了近年来在理论分析和实际应用中的研究现状, 并提出了以后的研究方向关键词: 强制循环泵; 研究中图分类号: A
Status of R esearch for Forced Circulating Axial 2flow Pump
Y ANG M in 2guan ,LI Zhong
(Jiangsu University , Zhenjiang 212013, China )
Abstract : The structural features and the existed problems of the forced circulating axial -flow pum p in salt and s oda evaporation technique are introduced. The status of the applications and theoretical analysis in recent years are summarized. The direction in the re 2search of circulating axial -flow pum p in the future is als o pointed out. K ey w ords : forced circulating axial -flow pum p ;research ;status
1 前言
强制循环泵广泛应用于烧碱、纯碱、磷铵、酒精等化工行业中, 其作用是在料液进行浓缩结晶时提供循环动力, 促进料液循环, 同时提高料液在蒸发过程中的传热系数, 加快循环蒸发结晶, 达到节能增产的目的[1]。2 强制循环泵211 结构特点
图1 循环蒸发单元工艺管线
盐碱化工装置循环蒸发单元普遍使用的工艺管线如图1所示。
从图1中可见, 该工艺单元中强制循环泵在一封闭回路中工作, 泵的扬程用于克服封闭回路的流动阻力。加大泵的流量, 提高加热器内料液的加热量, 可以增加产量
。
收稿日期: 2005—09—30 修稿日期: 2005—11—22
目前, 国内外盐碱化学工业中普遍使用的强
制循环泵的参数范围为:流量600～8000m 3/h , 扬程1～4m , 比转速500～1400。因此, 除少数采用混流泵外, 大部分均采用轴流泵。
图2示出轴流式强制循环泵的一般结构形式。据流程工艺情况, 大部分循环泵采用90°弯管吸入形式, 料液径向流入、轴向流出, 出口无导叶。
F LUI D MACHI NERY V ol 134,N o 15,200632
312 料液进口预旋
有关专家指出[6]:
(1) 泵的入口液流存在预旋。
(2) 预旋方向随流量而变, 小于设计流量时出现正预旋即液流旋转方向与叶轮旋转方向一致, 大于设计流量时出现负预旋。
(3) 旋转强度也随流量而变, 偏离设计流量越远, 旋转越强烈, , 旋转趋于零。
, 实际扬程将偏离无预旋时的设, 同时泵的流量也会发生相应变化。正预旋时, 实际扬程比设计扬程值小, 流量相应增加; 负预旋时, 实际扬程比设计扬程值大, 流量相应减小。同样, 泵进口存在预旋时, 将大大降低泵的运行效率和汽蚀性能[7]。实际生产中, 可以通过在泵的进口管上安装导向器、在叶轮前安装可调节的前导叶或调节可调式叶片循环泵的叶片安放角来减小料液进口的预旋程度, 使泵运行在最佳工况[8]。3. 3 汽蚀
图2 轴流式强制循环泵结构
212 存在的主要问题
轴流式强制循环泵应用广泛, 国内外已有许多性能优异的泵型, 如英国EGGER 系列、美国G OU LDS 公司的特钢公司的AF 系列HZ L 系列等[2]。问题是流量不足、进口存在预旋、密封不可靠、汽蚀等。3 研究进展3. 1 选型设计
国内外很少对循环泵进行专门的水力模型试验研究, 实际设计中所选择的水力模型为一般轴流式模型泵。循环泵与一般模型轴流泵的主要差异是:循环泵在叶轮出口不设置导叶, 吸入室为径向入流的90°弯管形式, 转弯后为一轴向长度极短的直管段, 如图2所示。由于泵出口不设置导叶, 使在低扬程轴流泵总能量中占相当一部分比例的出口旋转动能不能得到利用, 同时在90°弯管型吸入室内侧要产生附面层分离及旋涡损失。在二次流的影响下还要产生附加能量损失[3, 4]。上述原因使得循环泵的扬程降低, 从而使泵的运行工况点向小流量工况偏移, 导致在规定扬程点流量不足的结果。
通过理论计算可得出循环泵出口旋转动能为
2
=1789. 1322(ln R -ln r b ) 2[5], 国内一些研2g D av n η
-
循环泵的吸入装置为倒灌式, 一般情况下不
考虑汽蚀。但是, 如果泵装置发生变动, 如在进口管道转弯处用一台离心式过滤器替代原先的过滤网, 介质温度发生变化, 将发生严重汽蚀[9]。研究中发现, 通过严格控制介质温度, 增加倒灌高度, 增加进口管径、降低进口流速等方法来提高泵的装置汽蚀余量。在不对叶轮重新进行水力设计的情况下, 可通过增加诱导轮、在叶轮表面涂保护层及改变叶轮材质等措施来提高泵本身的抗汽蚀性能[10]。3. 4 轴封
在盐碱化工循环蒸发工艺段循环泵仅有一台
(没有备用) , 要求循环泵单机连续运行。在实际
生产中, 泵进出口均无阀门, 且工作介质大都为高温腐蚀性料液, 如果泵发生故障停机, 将导致整个生产线停产。因此, 要求循环泵具有可靠性和较长的使用寿命。
针对生产过程中轴封泄漏的问题, 许多研究者对轴封的结构进行了广泛研究[11, 12]。在研究中发现, 传统的“副叶轮+限流套+填料密封”的密封结构损耗功率大, 对轴封液要求严, 密封面易损坏, 可靠性低。副叶轮对料液中的结晶体具有破碎的作用, 从而诱导二次晶核的产生, 加剧了晶
2
究人员认为实际设计扬程应在给定设计值的基础上加上上式所示的出口旋转动能部分, 实际设计流量也应作适当放大, 放大量为给定量的10%左右。实际设计扬程和流量确定后, 重新计算泵的比转速, 并选择相近比转的模型泵进行相似换算及叶片绘型。经实际应用, 可有效解决流量小、效率低的问题。
2006年第34卷第5期 流 体 机 械 33
体在叶片与限流套间的聚结, 导致副叶轮、限流套的损坏与失效。广州昊天化学公司改进传统密封结构, 提出了一种高效的新型密封结构, 在实际生产中取得较好的使用效果[13]。3. 5 材料选择从目前国内循环泵的使用情况看, 对烧碱或纯碱来说,31655或0Crl8Ni12M o2T i 就可以满足要求; 对于氯酸盐或氯化物来说, 由于其腐蚀性要比碱类严重得多, 应选用镍基合金材质。4 结论
(1) [3] 查森. 叶片泵原理及水力设计[M].北京:机械工业
出版社,1987.
[4] 关醒凡. 现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,
1995.
[5] 杨敏官, 孙国梓. 轴流式强制循环泵选型设计参数
补偿办法[J].农业机械学报,1999,30(5) :48251.
[6] 斯捷潘诺夫A. J. 离心泵和轴流泵[M].北京:机械
工业出版社,1980.
[7] 朱红耕, 陆广林, 奚斌, . ,2003,22(3) :60270.
[8]. [J].中国井矿
, () 236.
, 贾卫东, 王春林, 等. 黑液强制循环泵汽蚀原
因分析与改进措施[J].农业机械学报,2003,34(5) :
1812185.
[10]许友谊. 黑液强制循环泵汽蚀性能的改进设计[J].
指导。计算, 。
(2) 应结合理论分析, 利用PDPA 、PI V 等仪器对泵内实际流动的情况进行实验研究。
(3) 对泵结构和材质进行改进。新型的密封结构和涂层材料将有效地提高泵的性能。
参考文献:
[1] 杨敏官. 轴流式强制循环泵的选型设计[J].江苏理
江苏大学学报,2003,24(6) :17220.
[11]K urikawa H. Mechanical seal and noise of circulating
pum p[J].Nat T ech Rep ,1971,17(2) :762166.
[12]M ikami ,Makoto. In fluence of annular seal characteristics on
the stability of vertical type pum ps with journal bearings [J].Pressure Vessels and Piping Division (Publication ) PVP ,1998,366:2792286.
[13]王耀红, 邱熙. 化工用强制循环泵轴封结构的改造
[J].水泵技术,2001, (2) :41243.
工大学学报,1997, 18(6) :24228.
[2] 操松林. 盐碱化工用循环泵综述[J].中国井矿盐,
2004,35(6) :38243.
作者简介:杨敏官(19522) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事流体机械性能及内部流动分析研究, 通讯地址:212013江苏镇江市江苏大学能源与动力工程学院。
(上接第8页)
(5) 用箱内循环过滤方式净化时, 可能出现净化后油液比滤前上层油面洁净程度还差的假象;
参考文献:
[1] Heinl E ,Bohnet M. Calculation of particle 2wall adhesion
tracking and discrete particle method[J]1Chemical Engi 2neering Science ,2005, 60(11) :618826198.
[4] 潘小兵. 循环流化床内气固两相流动的数值模[D].
北京:北京科技大学,2002.
[5] V olkov A N ,Tsirkunov Y u M ,Oesterle B. Numerical sim 2
ulation of a supers onic gas 2s olid flow over a blunt body :The role of inter 2particle collisions and tw o 2way coupling effects [J ].International Journal of Multiphase Flow , 2005, 3(11) :1692176.
作者简介:张贤明(19552) , 男, 教授, 硕导, 学科带头人, 全国分离机械专业委员会副主任委员, 国家自然科学基金评议专家, 国务院特贴专家, 获国家科技进步二等奖, 主要从事油处理设备研究, 通信地址:400014重庆市重庆工商大学油处理研究所。
in horizontal gas 2s olids flow using CFD[J].P owder T ech 2nology ,2005, 169(11) :952104.
[2] 王福军. 计算流体动力学分析[M].北京:清华大学
出版社,20041
[3] Annaland M V S , Deen N G, K uipers J A M. Numerical
simulation of gas 2liquid 2s olid flows using a combined front
2006年第34卷第5期 流 体 机 械 31
文章编号: 1005—0329(2006) 05—0031—03
技术进展
轴流式强制循环泵的研究现状
杨敏官, 李 忠
(江苏大学, )
摘 要: , 总结了近年来在理论分析和实际应用中的研究现状, 并提出了以后的研究方向关键词: 强制循环泵; 研究中图分类号: A
Status of R esearch for Forced Circulating Axial 2flow Pump
Y ANG M in 2guan ,LI Zhong
(Jiangsu University , Zhenjiang 212013, China )
Abstract : The structural features and the existed problems of the forced circulating axial -flow pum p in salt and s oda evaporation technique are introduced. The status of the applications and theoretical analysis in recent years are summarized. The direction in the re 2search of circulating axial -flow pum p in the future is als o pointed out. K ey w ords : forced circulating axial -flow pum p ;research ;status
1 前言
强制循环泵广泛应用于烧碱、纯碱、磷铵、酒精等化工行业中, 其作用是在料液进行浓缩结晶时提供循环动力, 促进料液循环, 同时提高料液在蒸发过程中的传热系数, 加快循环蒸发结晶, 达到节能增产的目的[1]。2 强制循环泵211 结构特点
图1 循环蒸发单元工艺管线
盐碱化工装置循环蒸发单元普遍使用的工艺管线如图1所示。
从图1中可见, 该工艺单元中强制循环泵在一封闭回路中工作, 泵的扬程用于克服封闭回路的流动阻力。加大泵的流量, 提高加热器内料液的加热量, 可以增加产量
。
收稿日期: 2005—09—30 修稿日期: 2005—11—22
目前, 国内外盐碱化学工业中普遍使用的强
制循环泵的参数范围为:流量600～8000m 3/h , 扬程1～4m , 比转速500～1400。因此, 除少数采用混流泵外, 大部分均采用轴流泵。
图2示出轴流式强制循环泵的一般结构形式。据流程工艺情况, 大部分循环泵采用90°弯管吸入形式, 料液径向流入、轴向流出, 出口无导叶。
F LUI D MACHI NERY V ol 134,N o 15,200632
312 料液进口预旋
有关专家指出[6]:
(1) 泵的入口液流存在预旋。
(2) 预旋方向随流量而变, 小于设计流量时出现正预旋即液流旋转方向与叶轮旋转方向一致, 大于设计流量时出现负预旋。
(3) 旋转强度也随流量而变, 偏离设计流量越远, 旋转越强烈, , 旋转趋于零。
, 实际扬程将偏离无预旋时的设, 同时泵的流量也会发生相应变化。正预旋时, 实际扬程比设计扬程值小, 流量相应增加; 负预旋时, 实际扬程比设计扬程值大, 流量相应减小。同样, 泵进口存在预旋时, 将大大降低泵的运行效率和汽蚀性能[7]。实际生产中, 可以通过在泵的进口管上安装导向器、在叶轮前安装可调节的前导叶或调节可调式叶片循环泵的叶片安放角来减小料液进口的预旋程度, 使泵运行在最佳工况[8]。3. 3 汽蚀
图2 轴流式强制循环泵结构
212 存在的主要问题
轴流式强制循环泵应用广泛, 国内外已有许多性能优异的泵型, 如英国EGGER 系列、美国G OU LDS 公司的特钢公司的AF 系列HZ L 系列等[2]。问题是流量不足、进口存在预旋、密封不可靠、汽蚀等。3 研究进展3. 1 选型设计
国内外很少对循环泵进行专门的水力模型试验研究, 实际设计中所选择的水力模型为一般轴流式模型泵。循环泵与一般模型轴流泵的主要差异是:循环泵在叶轮出口不设置导叶, 吸入室为径向入流的90°弯管形式, 转弯后为一轴向长度极短的直管段, 如图2所示。由于泵出口不设置导叶, 使在低扬程轴流泵总能量中占相当一部分比例的出口旋转动能不能得到利用, 同时在90°弯管型吸入室内侧要产生附面层分离及旋涡损失。在二次流的影响下还要产生附加能量损失[3, 4]。上述原因使得循环泵的扬程降低, 从而使泵的运行工况点向小流量工况偏移, 导致在规定扬程点流量不足的结果。
通过理论计算可得出循环泵出口旋转动能为
2
=1789. 1322(ln R -ln r b ) 2[5], 国内一些研2g D av n η
-
循环泵的吸入装置为倒灌式, 一般情况下不
考虑汽蚀。但是, 如果泵装置发生变动, 如在进口管道转弯处用一台离心式过滤器替代原先的过滤网, 介质温度发生变化, 将发生严重汽蚀[9]。研究中发现, 通过严格控制介质温度, 增加倒灌高度, 增加进口管径、降低进口流速等方法来提高泵的装置汽蚀余量。在不对叶轮重新进行水力设计的情况下, 可通过增加诱导轮、在叶轮表面涂保护层及改变叶轮材质等措施来提高泵本身的抗汽蚀性能[10]。3. 4 轴封
在盐碱化工循环蒸发工艺段循环泵仅有一台
(没有备用) , 要求循环泵单机连续运行。在实际
生产中, 泵进出口均无阀门, 且工作介质大都为高温腐蚀性料液, 如果泵发生故障停机, 将导致整个生产线停产。因此, 要求循环泵具有可靠性和较长的使用寿命。
针对生产过程中轴封泄漏的问题, 许多研究者对轴封的结构进行了广泛研究[11, 12]。在研究中发现, 传统的“副叶轮+限流套+填料密封”的密封结构损耗功率大, 对轴封液要求严, 密封面易损坏, 可靠性低。副叶轮对料液中的结晶体具有破碎的作用, 从而诱导二次晶核的产生, 加剧了晶
2
究人员认为实际设计扬程应在给定设计值的基础上加上上式所示的出口旋转动能部分, 实际设计流量也应作适当放大, 放大量为给定量的10%左右。实际设计扬程和流量确定后, 重新计算泵的比转速, 并选择相近比转的模型泵进行相似换算及叶片绘型。经实际应用, 可有效解决流量小、效率低的问题。
2006年第34卷第5期 流 体 机 械 33
体在叶片与限流套间的聚结, 导致副叶轮、限流套的损坏与失效。广州昊天化学公司改进传统密封结构, 提出了一种高效的新型密封结构, 在实际生产中取得较好的使用效果[13]。3. 5 材料选择从目前国内循环泵的使用情况看, 对烧碱或纯碱来说,31655或0Crl8Ni12M o2T i 就可以满足要求; 对于氯酸盐或氯化物来说, 由于其腐蚀性要比碱类严重得多, 应选用镍基合金材质。4 结论
(1) [3] 查森. 叶片泵原理及水力设计[M].北京:机械工业
出版社,1987.
[4] 关醒凡. 现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,
1995.
[5] 杨敏官, 孙国梓. 轴流式强制循环泵选型设计参数
补偿办法[J].农业机械学报,1999,30(5) :48251.
[6] 斯捷潘诺夫A. J. 离心泵和轴流泵[M].北京:机械
工业出版社,1980.
[7] 朱红耕, 陆广林, 奚斌, . ,2003,22(3) :60270.
[8]. [J].中国井矿
, () 236.
, 贾卫东, 王春林, 等. 黑液强制循环泵汽蚀原
因分析与改进措施[J].农业机械学报,2003,34(5) :
1812185.
[10]许友谊. 黑液强制循环泵汽蚀性能的改进设计[J].
指导。计算, 。
(2) 应结合理论分析, 利用PDPA 、PI V 等仪器对泵内实际流动的情况进行实验研究。
(3) 对泵结构和材质进行改进。新型的密封结构和涂层材料将有效地提高泵的性能。
参考文献:
[1] 杨敏官. 轴流式强制循环泵的选型设计[J].江苏理
江苏大学学报,2003,24(6) :17220.
[11]K urikawa H. Mechanical seal and noise of circulating
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[12]M ikami ,Makoto. In fluence of annular seal characteristics on
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[13]王耀红, 邱熙. 化工用强制循环泵轴封结构的改造
[J].水泵技术,2001, (2) :41243.
工大学学报,1997, 18(6) :24228.
[2] 操松林. 盐碱化工用循环泵综述[J].中国井矿盐,
2004,35(6) :38243.
作者简介:杨敏官(19522) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事流体机械性能及内部流动分析研究, 通讯地址:212013江苏镇江市江苏大学能源与动力工程学院。
(上接第8页)
(5) 用箱内循环过滤方式净化时, 可能出现净化后油液比滤前上层油面洁净程度还差的假象;
参考文献:
[1] Heinl E ,Bohnet M. Calculation of particle 2wall adhesion
tracking and discrete particle method[J]1Chemical Engi 2neering Science ,2005, 60(11) :618826198.
[4] 潘小兵. 循环流化床内气固两相流动的数值模[D].
北京:北京科技大学,2002.
[5] V olkov A N ,Tsirkunov Y u M ,Oesterle B. Numerical sim 2
ulation of a supers onic gas 2s olid flow over a blunt body :The role of inter 2particle collisions and tw o 2way coupling effects [J ].International Journal of Multiphase Flow , 2005, 3(11) :1692176.
作者简介:张贤明(19552) , 男, 教授, 硕导, 学科带头人, 全国分离机械专业委员会副主任委员, 国家自然科学基金评议专家, 国务院特贴专家, 获国家科技进步二等奖, 主要从事油处理设备研究, 通信地址:400014重庆市重庆工商大学油处理研究所。
in horizontal gas 2s olids flow using CFD[J].P owder T ech 2nology ,2005, 169(11) :952104.
[2] 王福军. 计算流体动力学分析[M].北京:清华大学
出版社,20041
[3] Annaland M V S , Deen N G, K uipers J A M. Numerical
simulation of gas 2liquid 2s olid flows using a combined front