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摘要：MD系列多级泵是一种高压自平衡型多级泵，结构为卧式、单吸、垂直中开多级分段式，采用低压侧、高压侧叶轮对称布置，自动平衡轴向力，具有高效区宽、运行平稳，汽蚀性能好、安装维修方便等特点，大大延长了设备的运行寿命。在水力设计上采用国内先进的水力模型，高效节能，材料选用方面为公司自行研制的高耐磨材料，满足了特定用户对多级泵的需求，其主要应用于煤炭、冶金等领域，用于煤矿井下的排水和金属矿山输送介质中含有浮游物等特殊工况，也可用于工业城市给排水、矿山远距离送水、小型锅炉给水等，有着良好的市场应用前景。文中主要介绍了多级泵的结构、工作原理、主要部件在设计中的注意事项，主要部件在制作过程中的注意事项。
关键词：多级泵;结构;工作原理;设计制作
中图分类号：TH33 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）10-0080-02
1 多级泵的结构
1.1 市场中多级离心泵常见的结构
常用的多级离心泵基本结构有水平中开式和节段式（或称多级串联式）两种。水平中开式的结构特点是上下泵体通过轴心的水平剖分面上对接，进出口管、部分蜗壳及流道铸造在下部泵壳体上，检修维护比较方便，维修时不需要拆卸泵的管线便可直接取下泵的上壳体。节段式的结构特点是每一级由一个位于扩压器壳体内的叶轮组成，扩压器用螺栓和连杆连接在一起，各级以串联方式由固定杆固定在一起，好处是耐压高，不易泄漏。但在维修时必须拆卸进口管道，拆卸装配难度较大。一般认为水平中开式多级泵比节段式多级泵刚度好，泵振动值低。
水平中开式多级泵：吸入室一般均采用半螺旋形，每级压水室亦采用螺旋形蜗壳结构，将液体动能转换为压能的效率高，无导叶，但由于水力径向力原因，轴易弯曲，上下壳体结构复杂、生产难度大。节段式多级泵：吸水室及压水室大都采用圆环形，而每级叶轮配有径向导叶，无水力径向力，零件结构简单、制造方便。多级泵的首级叶轮一般设计为双吸式叶轮，其余各级叶轮设计为单吸室叶轮，温度较高，流量较大，易于产生汽蚀的介质尤其如此。
1.2 我公司开发的多级离心泵结构简介
我公司开发的多级泵为MD系列耐磨多级泵。结构形式为单吸、阶段式。采用叶轮背对背对称布置的结构设计来实现泵体身轴向力的自平衡，不再采用传统的平衡盘、平衡盘鼓设计，解决了平衡盘结构消耗功率大、易磨损等设计缺陷，从而提高了泵整机的运行可靠性和寿命;各个段均为环形结构，采用径向导叶来收集浆液并传送至下一级，故无水力径向力，转子的重量即为泵轴所受的径向力。在材料选用方面，叶轮、导叶采用我公司的高铬合金材料，达到耐磨或抗磨耐腐的效果。各个段根据工况需要可选择用QT500-7、高铬合金、铸钢等材料，以满足现场耐磨和承压要求。应用于输送含有少量固体颗粒的浆液或较高浓度的溶液，可以满足一定的耐磨、耐腐要求，在此类工况下的运行寿命优于传统的节段式多级泵。
1.2.1 泵型号代表的意义
以MD（6）280-65×6为例：
MD：多级耐磨 （6）：过流件材质
280：流量 65：单级扬程
6：级数
1.2.2 结构的说明
泵的固定部分由吸入（进水）段、中段、出水段、导叶、轴承和密封组成。进水口为水平，靠近电机端，方向可根据需要设计，转动部分由泵轴及装在轴上的数个叶轮、套、轴承等件组成。轴承采用稀油润滑或脂润滑。采用稀油润滑时，轴承箱内设有甩油环来保证供给轴承充足的润滑油;轴承功率较大时，轴承箱设计有冷却腔来冷却轴承。叶轮分为低压侧叶轮和高压侧叶轮。联轴器侧轴承一般设计为一盘圆柱滚子轴承，主要承受径向力;另一端采用两盘角接触球轴承配对来承受部分径向力及残存的轴向力。泵的轴封分为填料密封盒机械密封两种。填料密封是泵的转动部分与固定部分之间靠水封环、盘根、轴套来密封;机械密封由合格配套厂家根据泵的结构和使用工况设计专用机封。润滑油密封采用迷宫密封配挡水板或骨架密封配挡水板结构，在密封润滑油的同时防止水进入轴承。如图1所示。
2 多级离心泵的工作原理
多级离心泵类似于将多台单级离心泵逐个串联起来，通过每一个叶轮对工艺介质逐级加压，使末级叶轮出口的介质获得远高于入口介质压力。如图2所示。
3 主要部件在设计过程中的注意事项
3.1 叶轮设计
首级叶轮的入口直径取较大值，一般取系数K0在4.0-4.5，次级叶轮取较小值，一般取系数K0≤4.0。因是节段式一串布置，为尽量减轻转子部件的重量，减小轴的挠度，减小泵的轴向尺寸，叶轮的流道一般不做加宽设计，且盖板及叶轮厚度需尽量小。为保证安装和产品的整机质量，叶轮轴孔的公差按F6设计，凡设计到装配定位的形位公差（同轴度、跳动、平行度、垂直度等）均按6级设计。此外，为了得到较好的汽蚀性能，首级叶轮设计成双吸较好，尤其在大流量、高温度、吸上运行的工况。
3.2 導叶设计
按《现代泵理论与设计》中“9.5径向导叶的设计与计算”运行设计。导叶正反叶片的厚度基本参照叶轮叶片的厚度（入口处约5-8mm，出口处7-12mm），其中，导叶的候部面积是关键尺寸，直接影响泵的参数，应与蜗壳的第Ⅸ断面的作用相近，叶片数与叶轮的叶片数不能相同。 3.3 各个段的设计
3.3.1 吸入（进水）段的设计
设计时须注意吸入腔的过流面积及其导流效果。过流面积不能太小，面积小，其流速快，损失就大。其节流面积较大，对零件的损失相对较小。
3.3.2 出水段的设计
合理设计两侧的出水腔，保证过流面积合适、结构合理，其中主要包括两个出水管的结构合理，位置合适，注意低压侧泄压槽的设计，高压泄漏的高压浆液从泄压槽排到低压出水管。用户根据工况可以合理的选用各个段的材料，目前已使用过的材料有高铬合金、QT500-7以及铸钢件。如果选用高铬合金，则不用做密封环的设计，根据泵的最高扬程，计算确定合适的零件壁厚，既保证承压要求又有一定的经济性即可。凡配合定位的尺寸公差和形位公差均按照6级精度设计，级间配合止口、与轴承体配合止口均为H6/g6。高低压侧吸入段、出水段的中高要有公差要求;高压吸入段与出水段的连接法兰面要有尺寸公差和形位公差要求，以保证与过渡管的安装以及密封性能。
3.4 轴的设计
多级泵轴上要求做定位轴肩设计，以便于出水段开始向定位端装配时能够实现轴上零件的定位、压紧;轴装配外圆公差按h5或h6设计，当轴径大于等于130mm时按h5设计。
3.5 过渡管设计
过渡管目前我公司有两种结构：方形结构、管状结构。方形结构采用螺柱连接，结构紧凑、省空间;但密封槽（水线）不好加工，只能用数控机床加工，且流道内需要设计筋板来穿螺柱，会造成冲击损失，影响效率。管状结构一般设计为法兰联接，结构简单，便于加工，但需要考虑安装空间，零件高度要比方形结构高，安装后，整机所占空间比方形结构大。
3.6 泄压管及冷却、冲洗水管的设计
我公司结合产品在使用过程中易出现的问题，将泄压管及冷却管的内外螺纹均按锥形密封管螺纹设计。外螺纹为圆锥外螺纹，代号R2，内螺纹为圆锥内螺纹，代号RC。经过试验，泄压管是从高压密封腔到低压密封腔，冷却水（轴承冷却）与泄压管共用，通过三通分流，最终回到泵吸入口;冲洗水也从高压密封腔的另一侧接出，通过管路接到高、低压密封腔的冲洗接口。
4 主要部件在制作过程中的注意事项
4.1 叶轮的制作
铸造部分：其结构较常见，采用树脂砂铸造，树脂砂造型，锆英粉醇基涂料，五枚ZL104叶片。
机加部分：叶轮做静平衡试验，精度不低于GB/T 9239 -1988中G6. 3级规定。叶轮做静平衡试验时， 若在叶轮盖板上去重， 去重处与盖板应平滑过渡， 切削量不得超过盖板壁厚的三分之一。 且其材料为我公司自主开发的高铬材料，正火后HRC58-62，且其静平衡质量要求较高，因此将其加工工序分为粗加工→找平衡（去除大量的不平衡质量）→正火→精加工再次找平衡→电火花→钳工。为达到静平衡的质量，设计制作找平衡用芯轴，叶轮与芯轴配合在动平衡机上做。
4.2 导叶的制作
铸造部分：木制模样和芯盒，叶片、背叶片采用铸铝工装，加工完后将叶片、背叶片挖槽固定在模样、芯盒上。
机加部分：因其材料为我公司自主开发的高铬材料，正火后HRC58-62，因此将其加工工序分为粗加工→正火→精加工→钳工。因其结构的特殊性，在加工左端时，不易装夹，因此设计制作车用夹具。
4.3 各个段的制作
我公司近年来研发的多个煤矿用多级泵，其中有很多体积大，重量大的承压零部件，其中出水段、吸入段不仅结构与我公司现有泵型有很大差异，而且壁厚非常不均匀，有的壁厚的厚度差超过了两倍以上，此外，这些过流部件还要求不能渗漏，在查找多方资料后，在需要承压的腔体内圆角处和下底面，放置了相应厚度的冷铁，保证凝固顺序;在无法放置冷铁的区域内，铺设一定厚度的铬矿砂;增加相应冒口补贴，打开补缩通道;改变冒口放置位置，减少因冒口互相的热量影响带来的缩松倾向。
参考文献：
[1]多级泵内部流动分析及其性能预测[J].南京工业大学学报自然科学版，2012（05）.
[2]基于CFD的沖压式多级离心泵性能预测[J].水泵技术，2009（02）.
[3]多级离心泵平衡平衡系统故障分析[J].中国石油和化工标准与质量，2017（06）.
关键词：多级泵;结构;工作原理;设计制作
中图分类号：TH33 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）10-0080-02
1 多级泵的结构
1.1 市场中多级离心泵常见的结构
常用的多级离心泵基本结构有水平中开式和节段式（或称多级串联式）两种。水平中开式的结构特点是上下泵体通过轴心的水平剖分面上对接，进出口管、部分蜗壳及流道铸造在下部泵壳体上，检修维护比较方便，维修时不需要拆卸泵的管线便可直接取下泵的上壳体。节段式的结构特点是每一级由一个位于扩压器壳体内的叶轮组成，扩压器用螺栓和连杆连接在一起，各级以串联方式由固定杆固定在一起，好处是耐压高，不易泄漏。但在维修时必须拆卸进口管道，拆卸装配难度较大。一般认为水平中开式多级泵比节段式多级泵刚度好，泵振动值低。
水平中开式多级泵：吸入室一般均采用半螺旋形，每级压水室亦采用螺旋形蜗壳结构，将液体动能转换为压能的效率高，无导叶，但由于水力径向力原因，轴易弯曲，上下壳体结构复杂、生产难度大。节段式多级泵：吸水室及压水室大都采用圆环形，而每级叶轮配有径向导叶，无水力径向力，零件结构简单、制造方便。多级泵的首级叶轮一般设计为双吸式叶轮，其余各级叶轮设计为单吸室叶轮，温度较高，流量较大，易于产生汽蚀的介质尤其如此。
1.2 我公司开发的多级离心泵结构简介
我公司开发的多级泵为MD系列耐磨多级泵。结构形式为单吸、阶段式。采用叶轮背对背对称布置的结构设计来实现泵体身轴向力的自平衡，不再采用传统的平衡盘、平衡盘鼓设计，解决了平衡盘结构消耗功率大、易磨损等设计缺陷，从而提高了泵整机的运行可靠性和寿命;各个段均为环形结构，采用径向导叶来收集浆液并传送至下一级，故无水力径向力，转子的重量即为泵轴所受的径向力。在材料选用方面，叶轮、导叶采用我公司的高铬合金材料，达到耐磨或抗磨耐腐的效果。各个段根据工况需要可选择用QT500-7、高铬合金、铸钢等材料，以满足现场耐磨和承压要求。应用于输送含有少量固体颗粒的浆液或较高浓度的溶液，可以满足一定的耐磨、耐腐要求，在此类工况下的运行寿命优于传统的节段式多级泵。
1.2.1 泵型号代表的意义
以MD（6）280-65×6为例：
MD：多级耐磨 （6）：过流件材质
280：流量 65：单级扬程
6：级数
1.2.2 结构的说明
泵的固定部分由吸入（进水）段、中段、出水段、导叶、轴承和密封组成。进水口为水平，靠近电机端，方向可根据需要设计，转动部分由泵轴及装在轴上的数个叶轮、套、轴承等件组成。轴承采用稀油润滑或脂润滑。采用稀油润滑时，轴承箱内设有甩油环来保证供给轴承充足的润滑油;轴承功率较大时，轴承箱设计有冷却腔来冷却轴承。叶轮分为低压侧叶轮和高压侧叶轮。联轴器侧轴承一般设计为一盘圆柱滚子轴承，主要承受径向力;另一端采用两盘角接触球轴承配对来承受部分径向力及残存的轴向力。泵的轴封分为填料密封盒机械密封两种。填料密封是泵的转动部分与固定部分之间靠水封环、盘根、轴套来密封;机械密封由合格配套厂家根据泵的结构和使用工况设计专用机封。润滑油密封采用迷宫密封配挡水板或骨架密封配挡水板结构，在密封润滑油的同时防止水进入轴承。如图1所示。
2 多级离心泵的工作原理
多级离心泵类似于将多台单级离心泵逐个串联起来，通过每一个叶轮对工艺介质逐级加压，使末级叶轮出口的介质获得远高于入口介质压力。如图2所示。
3 主要部件在设计过程中的注意事项
3.1 叶轮设计
首级叶轮的入口直径取较大值，一般取系数K0在4.0-4.5，次级叶轮取较小值，一般取系数K0≤4.0。因是节段式一串布置，为尽量减轻转子部件的重量，减小轴的挠度，减小泵的轴向尺寸，叶轮的流道一般不做加宽设计，且盖板及叶轮厚度需尽量小。为保证安装和产品的整机质量，叶轮轴孔的公差按F6设计，凡设计到装配定位的形位公差（同轴度、跳动、平行度、垂直度等）均按6级设计。此外，为了得到较好的汽蚀性能，首级叶轮设计成双吸较好，尤其在大流量、高温度、吸上运行的工况。
3.2 導叶设计
按《现代泵理论与设计》中“9.5径向导叶的设计与计算”运行设计。导叶正反叶片的厚度基本参照叶轮叶片的厚度（入口处约5-8mm，出口处7-12mm），其中，导叶的候部面积是关键尺寸，直接影响泵的参数，应与蜗壳的第Ⅸ断面的作用相近，叶片数与叶轮的叶片数不能相同。 3.3 各个段的设计
3.3.1 吸入（进水）段的设计
设计时须注意吸入腔的过流面积及其导流效果。过流面积不能太小，面积小，其流速快，损失就大。其节流面积较大，对零件的损失相对较小。
3.3.2 出水段的设计
合理设计两侧的出水腔，保证过流面积合适、结构合理，其中主要包括两个出水管的结构合理，位置合适，注意低压侧泄压槽的设计，高压泄漏的高压浆液从泄压槽排到低压出水管。用户根据工况可以合理的选用各个段的材料，目前已使用过的材料有高铬合金、QT500-7以及铸钢件。如果选用高铬合金，则不用做密封环的设计，根据泵的最高扬程，计算确定合适的零件壁厚，既保证承压要求又有一定的经济性即可。凡配合定位的尺寸公差和形位公差均按照6级精度设计，级间配合止口、与轴承体配合止口均为H6/g6。高低压侧吸入段、出水段的中高要有公差要求;高压吸入段与出水段的连接法兰面要有尺寸公差和形位公差要求，以保证与过渡管的安装以及密封性能。
3.4 轴的设计
多级泵轴上要求做定位轴肩设计，以便于出水段开始向定位端装配时能够实现轴上零件的定位、压紧;轴装配外圆公差按h5或h6设计，当轴径大于等于130mm时按h5设计。
3.5 过渡管设计
过渡管目前我公司有两种结构：方形结构、管状结构。方形结构采用螺柱连接，结构紧凑、省空间;但密封槽（水线）不好加工，只能用数控机床加工，且流道内需要设计筋板来穿螺柱，会造成冲击损失，影响效率。管状结构一般设计为法兰联接，结构简单，便于加工，但需要考虑安装空间，零件高度要比方形结构高，安装后，整机所占空间比方形结构大。
3.6 泄压管及冷却、冲洗水管的设计
我公司结合产品在使用过程中易出现的问题，将泄压管及冷却管的内外螺纹均按锥形密封管螺纹设计。外螺纹为圆锥外螺纹，代号R2，内螺纹为圆锥内螺纹，代号RC。经过试验，泄压管是从高压密封腔到低压密封腔，冷却水（轴承冷却）与泄压管共用，通过三通分流，最终回到泵吸入口;冲洗水也从高压密封腔的另一侧接出，通过管路接到高、低压密封腔的冲洗接口。
4 主要部件在制作过程中的注意事项
4.1 叶轮的制作
铸造部分：其结构较常见，采用树脂砂铸造，树脂砂造型，锆英粉醇基涂料，五枚ZL104叶片。
机加部分：叶轮做静平衡试验，精度不低于GB/T 9239 -1988中G6. 3级规定。叶轮做静平衡试验时， 若在叶轮盖板上去重， 去重处与盖板应平滑过渡， 切削量不得超过盖板壁厚的三分之一。 且其材料为我公司自主开发的高铬材料，正火后HRC58-62，且其静平衡质量要求较高，因此将其加工工序分为粗加工→找平衡（去除大量的不平衡质量）→正火→精加工再次找平衡→电火花→钳工。为达到静平衡的质量，设计制作找平衡用芯轴，叶轮与芯轴配合在动平衡机上做。
4.2 导叶的制作
铸造部分：木制模样和芯盒，叶片、背叶片采用铸铝工装，加工完后将叶片、背叶片挖槽固定在模样、芯盒上。
机加部分：因其材料为我公司自主开发的高铬材料，正火后HRC58-62，因此将其加工工序分为粗加工→正火→精加工→钳工。因其结构的特殊性，在加工左端时，不易装夹，因此设计制作车用夹具。
4.3 各个段的制作
我公司近年来研发的多个煤矿用多级泵，其中有很多体积大，重量大的承压零部件，其中出水段、吸入段不仅结构与我公司现有泵型有很大差异，而且壁厚非常不均匀，有的壁厚的厚度差超过了两倍以上，此外，这些过流部件还要求不能渗漏，在查找多方资料后，在需要承压的腔体内圆角处和下底面，放置了相应厚度的冷铁，保证凝固顺序;在无法放置冷铁的区域内，铺设一定厚度的铬矿砂;增加相应冒口补贴，打开补缩通道;改变冒口放置位置，减少因冒口互相的热量影响带来的缩松倾向。
参考文献：
[1]多级泵内部流动分析及其性能预测[J].南京工业大学学报自然科学版，2012（05）.
[2]基于CFD的沖压式多级离心泵性能预测[J].水泵技术，2009（02）.
[3]多级离心泵平衡平衡系统故障分析[J].中国石油和化工标准与质量，2017（06）.