船塢主泵選型及結構優(yōu)化設計淺析
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摘要：船塢泵大多按照普通的導葉式混流泵進行設計使用，實則不然，不同工況、不同介質對水泵要求是不同的，尤其船塢主泵功率很大，高效節(jié)能是必須考慮的。本文對大型船塢泵項目中的主泵進行了選型及結構設計方面的介紹，運用了新的選型方法、使用了新的結構形式，并在實際使用中得到了驗證，取得了良好的效果。
引言
2021年，我國船舶企業(yè)繼續(xù)保持全球第一，占世界總量的50％左右。船舶建設或者維修船舶都需要在船塢中進行，在新船沒下水的時候，需要在船塢中完成對船底接觸水面部分的施工建設，避免因為過早接觸水面而引發(fā)施工和質量問題；船塢也可以為已經(jīng)下水的船只提供后期的修理和維護，可以讓船只進入后，實現(xiàn)脫離水面，方便船舶修理和養(yǎng)護。在每一個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。主泵用來排空塢室內(nèi)的水，副泵用來排除雨水、地下滲水，并在最后排空船塢內(nèi)的水時代替主泵工作。船塢泵多采用斜流泵，主泵采用雙基礎安裝，副泵選用單基礎安裝。本文結合筆者公司承接的某船塢項目，介紹了船塢主泵選型及結構的優(yōu)化設計，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備，其中主泵和輔泵是導流廊道配水。主泵廊道斷面尺寸5m×5m，輔泵廊道斷面尺寸4m×5m。水泵層標高－137m，出水管標高067m，介質為海水和含沙廢水。采用3臺1800kW排水主泵及電機、2臺500kW排水輔泵及電機、3臺110kW排水輔泵和雨水泵及電機，泵組安裝基礎部件和配套連接件。船塢主泵主要參數(shù)口徑、流量、揚程、效率、轉速、功率等符合表1規(guī)定。根據(jù)參數(shù)要求，水泵型號確定為2000HD－15SZ，其中2000為水泵出水口徑，為2m；HD為斜流泵；15為設計揚程15m；SZ為轉子可抽出式結構。水泵和電機分層安裝，軸向力由電機承受，水泵俯視順時針旋轉，出水口位于水泵和電機安裝層中間，水泵層采用閉式安裝方式。
2水泵選型
水泵選型是建設泵站的關鍵一步，選出優(yōu)秀的水力模型是水泵高效運行的關鍵。關醒凡教授在《大中型低揚程泵選型手冊》中詳細介紹了新的選型方法———選型系數(shù)法，本項目采用該方法進行選型［1］，如表2所示。流量系數(shù)＝泵裝置最高效率點流量÷泵段最高效率點流量揚程系數(shù)＝泵裝置最高效率點凈揚程÷泵段最高效率點揚程KH＝HZ／HD（2）效率系數(shù)＝泵裝置最高效率點效率－泵段最高效率點效率Kη＝ηZ－ηD（3）根據(jù)主泵參數(shù)計算水泵比轉速ns［2］：ns＝365槡nQH34＝5269（4）式中，Q單位為m3／s（對雙吸泵取Q／2）；H單位為m（對多級泵取單級揚程）；n單位為r／min。根據(jù)比轉速選擇TJ11－HL－05號水力模型并結合選型系數(shù)法進行選型，水泵運行曲線如圖1所示。
3水泵結構設計
水泵機組采用雙基礎立式安裝方式，電機與泵安裝在各自的基礎層上。泵吐出口在泵基礎層上，水泵層采用閉式安裝，泵組軸向推力由電機承受，水泵外接淡水潤滑和冷卻水，淡水來自于生活水管，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，俯視順時針旋轉。
31抽芯式結構
電廠循環(huán)水泵采用抽芯式結構形式比較多。目前，國內(nèi)船塢主泵大多為1200口徑到1600口徑，采用傳統(tǒng)的轉子和水泵一體式結構為主，因本船塢主泵屬于大型泵，為了便于安裝，以及大修時快速復原使用，船塢主泵選用抽芯式結構。抽芯部件包括葉輪、轉輪室、導葉體、泵軸、軸護管、中間支承部件、導流板以及導軸承等部件，剩余的進水喇叭、導葉外筒、出水三通、接長直管等組成殼體部件，最大優(yōu)勢是檢修時基礎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，大大縮短時間。產(chǎn)品整體結構如圖2所示。
32水力部件結構設計
葉輪和導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葉體。在通過選型系數(shù)法選擇出優(yōu)秀的水力模型之后，結構、加工制造就顯得尤為重要，葉輪采用整體鑄造，葉輪經(jīng)過加工中心整體加工，葉片表面粗糙度可達到16μm，表面流線光滑準確。加工好的葉片使用高精度三坐標測量儀進行檢測，通過采集葉片表面數(shù)據(jù)，在電腦上自動生成葉片三維圖，與設計的葉片三維模型進行對比，確保葉片型線與設計相符，同時葉輪經(jīng)過公司內(nèi)高精度動平衡機進行動平衡試驗可以達到G25級要求，進一步提高了運行穩(wěn)定性。導葉體對于性能影響也非常大，往往被忽略，本項目導葉體選擇鑄焊結構，導葉片單獨進行鑄造，并在鑄造后對導葉片進行數(shù)控加工，同樣經(jīng)過三坐標測量儀檢測，以確保導葉片型線準確。焊接后導葉體內(nèi)部流道光滑，提高了水泵運行效率，使水泵一直處于高效率運行，高效節(jié)能。
33多軸承設計
本項目水泵安裝層標高為－137m，流道層底板標高為－197m，減去1m懸空高度，基礎下泵體長度仍然達到了5m，加上基礎上的泵座和出水三通長度整體泵體長度達到8m，水泵軸長度接近10m，一般在填料下方、導葉體內(nèi)和中間支承處設置3個導軸承。本項目經(jīng)過計算軸系臨界轉速及參考以往項目經(jīng)驗，將導軸承數(shù)量設置為4個，第4個安裝在近葉輪處，4個導軸承承受機組運行過程中產(chǎn)生的徑向力，同時適當加大軸徑，并選擇賽龍SXL作為導軸承瓦材質，3個方案同時使用確保水泵穩(wěn)定運行。
34泵軸結構設計
本項目水泵運轉時軸向力由電機軸承承受，泵軸材質為雙相不銹鋼，水泵軸和電機軸剛性連接，電機軸和水泵軸頭都直接鍛法蘭，現(xiàn)場安裝時對兩法蘭配鉸螺栓孔之后安裝螺栓。同時，為降低廠房高度，水泵主軸采用分段設計，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、保護泵軸配合面，在主軸的導軸承配合面、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防抽芯部件旋轉結構
在水泵運行中抽芯部件存在受力旋轉的隱患，需要增加防旋轉措施，在轉輪室背面每90°設置一個防轉筋板，同時在導葉外筒內(nèi)壁每90°設置一個防轉卡槽，在抽芯部件插入到殼體部件安裝時，轉輪室上防轉筋板安裝到導葉外筒的防轉卡槽內(nèi)，此結構可消除防轉隱患，在實際工程中已得到應用。
4水泵材料選擇
因本項目建在海邊，水泵輸送介質為海水，水泵材質的耐海水腐蝕性至關重要，要慎重選擇。本項目船塢主泵主要過流部件材質均選擇雙相不銹鋼，文獻［3］中詳細介紹了海水介質水泵的材料選擇，本處不多論述，具體選擇如表3所示。
5現(xiàn)場運行效果
本項目船塢泵在公司取得CNAS認證的測試臺進行了真機原速全性能測試，廠內(nèi)測試臺池深18m，軌高24m，水泵完全1∶1真機測試，各項指標合格后發(fā)貨到現(xiàn)場。2021年5月，現(xiàn)場安裝完成后順利通過驗收，并于當年投入運行，截至目前，運行效果良好，各項指標滿足技術規(guī)格書要求。
6結論
通過該項目大型船塢主泵研發(fā)及使用，說明在大型斜流泵選型中采用選型系數(shù)法更加準確，所選水泵更能滿足實際工程需要，選型軟件的應用也大大提高了工作效率。同時，抽芯式水泵較普通型泵在解決了軸系穩(wěn)定及可能存在旋轉問題后優(yōu)勢明顯，值得推廣。
參考文獻
［1］關醒凡．大中型低揚程泵選型手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2019．
［2］關醒凡．現(xiàn)代泵技術手冊［M］．北京：中國宇航出版社，1995．
［3］王玉心．海邊電廠循環(huán)水泵材料選擇研究［J］．通用機械，2017（11）：50－52，64．
作者:王玉心 單位:上海凱泉泵業(yè)（集團）有限公司