一种离心式泥泵的抗磨设计方法与流程

1.本技术涉及离心式泥泵(渣浆泵)抗磨设计方法。


背景技术：

2.泥泵(又称渣浆泵)是一种通过泵送的方式实现对泥土、砂砾、碎矿石等物质连续输送的机械装备，常用于疏浚吹填、矿山机械、污水处理等领域，其主要作用是给泥沙浆等固粒-水混合物质做功，提高其机械能，并通过管道将其输送到指定区域，是疏浚领域必不可少的关键装备。
3.出于装拆方便、高扬程、高效率等多种需求的考虑，泥泵普遍采用单级单吸离心泵，叶轮普遍采用闭式叶轮构造。在此类泵中，流体从轴端被水平地吸入泵内，随后进入旋转运动的叶轮内转为径向流动，并被约束在前、后盖板以及叶片围成的流道内随叶轮一起旋转，在此过程中接受叶片对其做功而具有更高的压力与速度，随后从叶轮中流出进入扩压室，在扩压室内降速增压，将部分动能转化为压力能，最后从扩压室出口流出。
4.与常规水泵不同，泥泵(图1)输送的物质中有各种不规则尖锐固体，将对泥泵内的主要做功部件——叶轮产生严重的磨损。泥泵叶轮的磨损问题至今仍是一个亟待解决的难题。有效减少叶轮的磨损可延长叶轮的使用寿命，节约维修成本。同时，尽量完好的叶轮结构是泥泵稳定运行、疏浚施工高效进行的必要保证。减少叶轮磨损的主要技术途径分为“选用耐磨材料”与“改进结构”两大方向。
5.最接近现有技术：
6.目前，泥泵叶轮的结构设计通过合理地选择叶片进口角及叶片包角、采用弯扭叶片造型等技术手段改善叶轮内流动，这些结构技术在改善磨损上取得了不错成果，但难再有突破性发展。针对叶轮进、出口附近的磨损，泥泵普遍在叶轮进口安装吸口防磨环，在叶轮出口外安装肩胛防磨环(具体的，肩胛防磨环在扩压室与泵盖之间，保护两者连接部位)，试图通过不断替换防磨环，防止该处的局部破坏导致整个叶轮报废，但叶片头部、叶片头部附近端面、叶片尾部附近的磨损尚未有针对性的结构改善技术方案。


技术实现要素：

7.本技术目的公开一种抗磨方法，以解决“泥泵严重磨损主要集中发生在叶轮入口、叶片头部(主要是接近前盖板的大半径处)”的问题。
8.叶片头部的磨损主要是冲击磨损，原因是叶轮进口靠近前盖板的区域(如图 1a处)具有较大的周向速度，沙砾、岩石块等体积较大，如此硬度较大的固体进入叶轮后，会在惯性作用下冲击该位置(图1中a处)；因此，叶片头部附近端面上的磨损多由涡流产生，叶片头部的分流作用导致附近流动容易出现涡流，砂石在涡流内反复剐蹭造成磨损。
9.应对上述技术问题，本技术需要保护的技术方案为：
10.一种应用于离心式泥泵的抗磨方法，其特征是：
11.在叶轮的进口防磨环上设计导叶，采用提前分割泥砂浆的策略对泥沙浆进行偏离
导流，避免叶片头部承受泥砂浆直接冲击；所述引流导叶2安装于叶轮的进口防磨环1上，多个导叶2在周向均匀分布于进口防磨环1内壁，引流导叶2与进口防磨环1随叶轮同步旋转；
12.同时，在进口防磨环1上的引流导叶(2)与其对应的叶片4分为二体，存在间隔区域b；
13.同时，在叶片(4)设计高压冲水构造，与导叶(2)相配合的，高压冲水从叶片头部(4.1)形成逆流射流，形成逆压梯度使得泥砂浆提前偏离，甚至避免在间隔区域b内形成泥砂浆涡流，最终避免泥浆撞击磨损叶片头部(4.1)。
14.进一步限定技术方案，在叶轮内，引流导叶2的数量与叶片4数量一致，其设置位置与叶片4相对，相互之间留有间隙。
15.进一步限定技术方案，所述导叶2靠近并正对叶轮叶片4头部。
16.进一步限定技术方案，在叶片内通过高压冲水进口管(13)连接高压水源和叶轮前盖板(3)与前泵盖及其衬板(12)之间的高压密封水，叶片头部(4.1) 表面开设冲水孔/槽(6)，高压冲水通过冲水孔/槽(6)从叶片头部(4.1)表面迎流射出，在叶片与导叶之间的间隙区域(图4、图6中b处)形成逆压梯度，并顺着导叶尾部(2.2)射出。
17.所述冲水孔/槽(6)与高压密封水之间通过导水管(7)连通。即，设计压冲水机构，压冲水机构包括高压冲水进口管(13)、导水管(7)、冲水孔/槽(6)，所述高压冲水进口管(13)的出口端为叶轮前盖板(3)与前泵盖及其衬板(12) 之间的高压密封水，该高压密封水通过导水管(7)与冲水孔/槽(6)相连。所述冲水孔/槽(6)开设于叶片头部(4.1)表面，使高压冲水从叶片头部(4.1) 喷出并形成逆流射流。
附图说明
18.图1为常规泥泵叶轮侧视图；
19.图2实施例1中泥泵叶轮组件的1/4剖面示意图；
20.图3实施例1叶轮组及进口防磨环(安装引流导叶)后构造示意图；
21.图4实施例1叶轮组件中进口防磨环(安装引流导叶)后作用机理示意图；
22.图5实施例2为泥泵侧视图一：示意出高压冲水结构的布置和位置；
23.图6实施例2引流导叶与叶片头部高压冲水的防磨作用原理；
24.数字标记：1、进口防磨环；2、引流导叶；2.1导叶头部；2.2导叶尾部； 3、叶轮前盖板；4、叶轮叶片；4.1叶片头部；4.2叶片尾部；
25.5、叶轮后盖板；6、冲水孔(槽)；7、导水管；8、叶片工作面；9、叶片背面；10、泵吸入口；11、扩压室壁面；12、前泵盖及其衬板；13、高压冲水进口管。
具体实施方式
26.下面将结合具体实施例及其附图对本技术提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本技术的优点和特征将更加清楚。
27.需要说明的是，本技术的实施例有较佳的实施性，并非是对本技术任何形式的限定。本技术实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本技术优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本技术实施例所属技术领域的技术人员所理解。
28.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
29.本技术的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本技术实施例的目的，并非是限定本技术可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本技术所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本技术各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
30.以下通过实施例详细介绍抗磨方法策略和技术手段。
31.实施例1
32.在叶轮的进口防磨环1上设计引流导叶4，叶轮组件中进口防磨环安装有引流导叶后的工作场示意，如图4所示：
33.该方案体现的方法策略：采用在泵进口处改变流体的流向，防止涡流产生，提前分割泥砂浆，避免与叶片头部直接对冲，避免叶片头部(尤其是半径较大的叶片上半部分)承受泥砂浆直接冲击，因此通过在叶轮的进口防磨环内壁上设计引流导叶，起到保护叶片头部的作用。在本领域所述“半径较大的”是指：叶轮叶片中，为了区别同一叶片的不同区域和部位，根据所在叶片部位其离轴心半径大小来描述相对位置关系或者区别不同的位置。此描述清楚、规范。
34.区别于传统安装在叶轮后的扩压段(或多级离心泵的扩压、导流段)内的静止导叶，本技术如图2所示的引流导叶2安装于叶轮的进口防磨环1上，多个导叶2在周向均匀分布于进口防磨环1内壁，引流导叶2与进口防磨环1随叶轮同步旋转；另外，在叶轮内，引流导叶2的数量与叶片4数量一致，其设置位置与叶片4相对，相互之间留有间隙。
35.如此，本技术的引流导叶2已不再是传统的“静导叶”，而是“动导叶”，引流导叶2与进口防磨环1随叶轮同步旋转，引流导叶2在叶轮的进口处在非额定工况下能改变流体的流向，不仅防止涡流产生，又能改变流体走势以避开直接冲击叶片头部，本实施例方案体现从根本上解决叶片头部抗磨损问题。
36.本技术设置的引流导叶在流向上位于叶片前，此技术手段，不但在额定工况下是避免叶片头部承受正前方直冲，而且在非额定工况下避免叶片头部承受侧前方直冲，因此本实施例方案又体现其从根本上解决叶片头部抗磨损问题。
37.在形态上的配合设计，本实施例做出了进一步的创新，结合图2、图3所示：导叶2：从头部2.1至尾部2.2，其叶高(h)、叶厚(w)呈渐进增加，强化了分流、导流作用，无阻流作用(可以控制到很小，几乎可忽略)，如此，避免碰撞产生的回流和漩涡。因控制了阻流现象的产生，也就从根源上杜绝涡流现象的产生。至于如何控制“无阻流作用”到极小，将进一步涉及头部2.1的叶高(h)、叶厚(w)、应用场景(间距、位置关系、尺寸关系等)的相互关系模型技术方案，该发明任务由其它专利申请公开。
38.本技术技术方案适用的叶轮：泵旋转轴存在于叶轮外(图1、图2、图3所示)，不在叶轮内。
39.本技术叶轮的各个导叶2安装并固定于进口防磨环1的内壁位置处，离轴较远，不
会影响泵通过能力。
40.在叶轮内的叶轮叶片4与导叶2，两者数量和位置关系相对应，导叶2呈现“轴向、径向上向内发展”的形态，导叶尾部(2.2)一定靠近且正对叶轮叶片头部(4.1)(即本技术的必要技术特征)，主要起引流、导流、分流作用，做功能力弱。
41.本领域传统的导叶安装在叶轮后，主要起束流扩压、消除径向力的作用。本领域技术人员，通常为保证通过能力，在设计泥泵往往回避采用传统导叶。
42.因此，本技术是对传统导叶新功能用途的创新。
43.实施例2
44.浆体在泥泵内流动无法保持稳定，这种不稳定性也往往出现在叶轮进口附近，实施例1中安装在进口防磨环1上的引流导叶2与叶片4分为二体，如此必然存在缝隙(图6所示叶片之前区域b处)，而不稳定的泵内流动可能在该缝隙处产生涡流。
45.为此，本实施例2基于实施例1披露的“引流导叶”场景，进一步披露在离心式泥泵上附加采用高压冲水技术手段，组合“叶片头部的高压冲水”设计，以加强应用效果。
46.获得的效果：高压冲水结构位于叶片头部(4.1)，其射流方向为逆流，该手段的目的是形成逆压梯度，导致泥砂浆提前偏离，从而避免撞击磨损叶片头部 (4.1)。方法策略上，由于引流导叶(2)安装在进口防磨环(1)上，引流导叶头部(2.1)位于叶轮的进口迎流方向，如此，效能上近似于叶片头部(4.1)上半径较大的部分继续向叶轮入口延伸，而实际物理上每个导叶(2)与其对应的叶片(4)是隔断的。一方面，直接有效地解决针对叶片头部(4.1)以及叶片头部(4.1)附近端面的磨损问题，做到了对叶轮叶片薄弱点全方位的保护，从而保障了泥泵的耐用。另一方面，在叶轮进口增加引流导叶(2)并在叶片头部(4.1) 设置配套的高压冲水的结构，复合后的方案能进一步稳定泥浆运行稳定性，也是改善泥浆对叶轮持续磨损。
47.本技术的高压冲水设计，在原理上不同于其他壁面射流装置，属于一种结构在泥泵内的基于新原理的新型应用。
48.所述“叶片头部的高压冲水”设计，结构实现如下：
49.如图5所示的高压冲水结构的布置和位置示意图：
50.在叶片内通过高压冲水进口管(13)连接高压水源和叶轮前盖板(3)与前泵盖及其衬板(12)之间的高压密封水，叶片头部(4.1)处开设冲水孔/槽(6)，高压冲水通过冲水孔/槽(6)从叶片头部(4.1)迎流射出，在叶片与导叶之间的间隙区域(图4、图6中b处)形成逆压梯度，并顺着导叶尾部(2.2)射出，此连续的水质屏障一方面减弱间隙处涡流对叶片头部(4.1)的冲撞磨损，另一方面阻止了在间隙处形成涡流。引流导叶(2)的存在与高压冲水共同形成了位于叶片迎流方向的连续屏蔽，保护叶片头部，尤其是叶片头部上半径较大的位置。
51.在叶片头部开设冲水孔(槽)即形成喷口。
52.上述“迎流方向”即“逆流方向”。
53.单独使用实施例2中的叶片头部高压冲水在小冲水流量时不足以产生足够的逆压梯度来分割入流泥砂浆，而冲水流量过大则可能在某些入口流动瞬变时阻碍入流，破坏泥泵的吸入性能，异常工况下引发的涡流甚至可能导致叶片头部磨损加剧。实施例2中，叶片头部高压冲水与引流导叶(2)的配合进一步稳定地实现磨损减少的目标。
54.联合应用上述两个结构相互正向作用，例举：
55.1、若无引流导叶(2)，高压冲水在正向或接近正向迎对泥沙浆时可形成水屏障，防止叶片头部(4.1)的磨损，但泥泵明显偏离常见工况运行时，泥沙浆与高压冲水的流动方向可能呈明显夹角，进而导致叶片之前区域(b处)内产生强涡流，影响减磨效果。引流导叶(2)既分流了进口泥砂浆，还有在非额定工况下优化流动的附加作用，即在不同浓度、粒度的泥沙浆以及不同流量、转速的泵运行工况下，引流导叶(2)通过少量做功，将冲击叶片头部(4.1)的泥砂浆流动方向引导为正向迎流，从而避免在导叶尾部(2.2)与叶片头部(4.1)之间的叶片之前区域(b处)产生强涡流，通过该附加作用既保证了叶轮的吸入性能，也提升了叶片头部冲水的作用效果；
56.2、引流导叶(2)还有保证冲水作用范围的作用：它的存在防止泥沙浆直冲叶片，从而减小了叶片与导叶间隙(b区域)内的压差，使得高压冲水更容易冲击导流叶片尾部(2.2)；且导叶尾部(2.2)对冲水的分流作用也防止了冲水的作用范围过大。因此，二个结构联用增加了高压冲水量的适应性，即使叶片头部 (4.1)的高压水在更宽的流量范围内变化，依然可以保证水屏障充满并被约束在导叶尾部(2.2)与叶片头部(4.1)之间的间隙(b区域)内。对于不稳定的入流泥砂浆，无论冲水流量相对较小还是较大均可，发挥“防止泥砂浆在间隙内产生涡流”的作用，确保叶片头部磨损的改善。