铅泵的改进设计与流体力学计算

贾 源， 黄坤程

(中国恩菲工程技术有限公司 冶金事业一部火法设备室， 北京 100038)

铅泵的改进设计与流体力学计算

贾 源， 黄坤程

(中国恩菲工程技术有限公司 冶金事业一部火法设备室， 北京 100038)

为了尽量减小高温工作环境对铅泵机械性能产生的不利影响，对铅泵的机械结构进行了改进设计；同时，归纳总结了铅泵的流体力学计算方法，对铅泵的设计工作具有一定的参考价值。

铅泵； 轴承配置； 滑动轴套； 流体力学计算

0 前言

铅泵是一种单级单吸离心式液下泵。作为输送铅液的专用泵，它广泛应用于铅冶炼厂的熔铅锅、精炼锅以及铅阴阳极制备和铸锭等工序中[1]。

由于输送的介质为熔融铅液，因此，泵的材料选择、机械结构设计、传动部分的防热等都必须考虑到高温这一重要因素。

中国恩菲公司设计铅泵的历史可追溯到20世纪50年代，大小规格共计十余种。通过现场的铅液输送试验和使用记录，积累了一定的经验。本文所讨论的铅泵，是在分析研究以往的图纸、试车记录以及相关离心泵专著的基础上，通过结构优化、类比计算等方法，进行的改进设计。本次改进设计旨在解决高温对设备运行产生的不利影响，解决实际扬程不达标、部分零部件易损等问题，并尝试摸索出铅泵流体力学计算的方法。

拟设计的铅泵规格及参数见表1。

表1 铅泵规格及参数

1 工作原理

铅泵常见结构示意图如图1所示。具有若干个叶片的叶轮固定于泵轴上，在电动机的驱动下，随泵轴一起高速旋转。启动前，先使泵壳内充满铅液。启动后，叶轮高速旋转，并将铅液由叶轮中心甩向外周。

当铅液自叶轮中心甩向外周时，叶轮中心形成低压区，在铅锅液面压力(常为大气压)与叶轮中心(负压)的压差作用下，铅液便经滤盖进入泵内，并以很快的速度进入叶轮与泵壳之间的流道。由于流道截面逐渐增大而减速，使铅液部分动能转化成了静压能，然后从泵排出口进入出铅管。只要叶轮不停地转动，铅泵便不断地吸入和排出铅液。因此，铅泵是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力给铅液提供机械能的[2]。

1.电动机 2.联轴器 3.轴承 4.(水冷)轴承座 5.轴承 6.泵轴 7.支承架 8.滑动轴套 9.泵壳 10.叶轮 11.出铅管 12.滤盖图1 铅泵结构示意图

2 改进设计

2.1 滚动轴承配置

图2 轴承配置型式

根据试车记录，铅泵在实际使用过程中，曾出现过滚动轴承发热、冒烟、烧损、内圈裂开等故障。并且在冷却水套未通水的情况下，固态的二硫化钼高温齿轮油膏融为液态，顺轴下流，影响了轴承的润滑，造成轴承失效。分析其原因，除了铅泵自身的工作环境恶劣，铅液的辐射热和传导热使得轴承温度升高之外，轴承配置不合理也是原因之一。

以往的设计中，轴承的配置如图2a所示，采用的是面对面的型式。这种型式结构简单，装拆方便，但是当轴受热伸长时，轴承游隙变小，容易造成轴承卡死。为避免上述情况的发生，要特别注意轴承游隙的调整[3]。由此可见，这种配置型式不适用于铅泵。当轴承游隙调整不合理，铅泵工作环境温度过高时，轴承极易卡死，这时如果继续工作，则会发生轴承冒烟、烧损等故障，影响生产。

本次设计采用图2b所示的背对背的配置型式。该型式的优点是，支点间跨距较大，悬臂长度较小，故悬臂端刚性较大。当轴受热伸长时，轴承游隙增大，轴承不会卡死。为了增大轴承的承载能力，设计中选用了更大规格的轴承，以确保使用的可靠性。

另外，根据近年来多个铅冶炼现场铅泵的使用情况来看，都没有采用冷却水套对轴承进行通水冷却。但考虑到实际生产中铅液温度较高的情况，仍然配置了冷却水套，以备不时之需。

但是，采用冷却水套可能产生漏水等安全隐患。设计中将管件的接口引到铅锅外，以防止冷却水滴进铅锅。同时要求设备出厂前装调时必须进行严格的1.0 MPa水压试验，防止生产过程中渗水漏水造成危险。

2.2 滑动轴套

图1所示的滑动轴套是铅泵的另一个重要零件，它起到支承细长轴，增加刚度，保护轴及泵壳的作用。试车记录载明，该零件曾使用铸锡青铜ZQSn6- 6- 3作为轴套材料，实际使用中磨损严重，间隙小。造成这种情况的原因在于，该轴套是浸在铅液中高速回转。通常，铅液的温度在400 ℃～600 ℃之间，而ZQSn6- 6- 3的最高工作温度为280 ℃，滑动轴套的工作环境温度远高于其最高工作温度。一旦滑动轴套磨损严重，中心细长轴在高速回转状态下将变得极不稳定，还将造成叶轮与泵壳的损坏。

因此，设计中曾选用了一种称为RSSN的非金属材料，用于制造滑动轴套。RSSN又称反应烧结氮化硅，是以工业硅粉为主要原料，成型后，在氮气氛下加热氮化，使硅粉形成具有一定强度的氮化硅。该材料具有高强、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震性好等优良性能。RSSN的主要物理性能见表2。

表2 RSSN主要物理性能[4]

但实践证明，RSSN因为脆性太大，并不适于制作滑动轴套。一方面，铅泵在运输及日常生产吊运时会产生振动和碰撞，造成RSSN滑动轴套破损。另一方面，RSSN滑动轴套浸入高温铅液后，会因热膨胀而相互挤压、破损。

基于上述讨论，采用耐热合金钢制作滑动轴套更为适宜。

3 流体力学计算

叶轮与泵壳是实现铅泵功能的核心零件，也是设计的重点与难点。目前，与铅泵流体力学计算直接相关的文献资料很少。本次设计参阅了离心泵设计的文献专著，并类比了中国恩菲公司以往的设计资料。

3.1 比转数ns

比转数的计算公式为[5]：

(1)

式中Q—泵的流量，m3/s；

H—泵的扬程，m；

n—叶轮转速，r/min。

3.2 叶轮外径D2

铅泵所用的叶轮是半开式叶轮。根据文献[5]，对于半开式叶轮和全开式叶轮，如果叶片和前后泵体的配合间隙很小(小于0.3 mm)，和闭式叶轮性能无大的差别。然而，在运行中间隙难以保证，造成泵扬程下降，高效率点向小流量方向偏移，尤其是低比转数高扬程叶轮，有时和闭式叶轮相比，扬程下降可达30%，效率也显著下降。因此，半开式叶轮采用闭式叶轮的计算方法时，叶轮外径根据间隙的情况增大到1.1～1.25D2，间隙大者取大值。

叶轮外径D2的计算公式为：

(2)

式中KD2—取9.35～9.6；

ns—比转数；

Q—泵的流量，m3/s；

n—叶轮转速，r/min。

对于KD2的取值，由于比转数小于60时，KD2应乘以大于1，小于1.5的修正系数K。考虑到铅泵比转数较小，取KD2=9.6。

运用Excel，使用公式(1)、(2)对以往设计的几种具有代表性的铅泵叶轮尺寸进行验证性计算，可得到如下的结果，见表3。

表3 以往设计的叶轮尺寸计算结果

将计算结果与图纸上标注的实际尺寸比较后可以发现，计算尺寸与图纸标注的实际尺寸吻合程度较高，说明计算选取的系数基本可用，计算得到的结果可信度较高。使用这些系数，可以计算得到新设计的几种规格铅泵的叶轮尺寸，见表4。

表4 新设计的叶轮尺寸计算结果

3.3 叶轮型式

30 t/h、40 t/h和60 t/h铅泵采用的叶轮型式如图3a所示，250 t/h和720 t/h铅泵采用的叶轮型式如图3b所示。

图3 叶轮型式

值得说明的是，现场试车记录曾记载，60 t/h铅泵扬程不够。对比几版图纸我们发现，60 t/h铅泵叶轮的叶片的曲率与25 t/h铅泵的相同，但由于生成的基圆直径变小，而叶轮外径增大，故出口角β2减小。由叶片出口速度三角形分析可知，在其他条件不变的情况下，β2越小，泵的扬程越小。另外，以往设计的60 t/h铅泵叶轮上平衡孔数量过多，孔径较大，这加大了叶轮的泄露，降低了泵的扬程。因此，在新设计的60 t/h铅泵中，加大了叶轮叶片的基圆直径，同时减小了平衡孔的数量和孔径，以期提高泵的扬程，使之达标。

3.4 其它尺寸

经过计算所确定的叶轮直径与以往设计的同等规格铅泵相同或相近，所以，由叶轮直径所确定的其它尺寸可沿用以往的设计，或在其基础上略作调整。

4 结语

(1)从机械设计的角度分析了轴承烧损的原因，并对轴承的配置结构进行了相应的改进。

(2)基于实践应用，对液下工作的滑动轴套的材质选择问题进行了讨论，RSSN虽然具有耐高温、耐腐蚀等一系列优点，但因其脆性大，不宜使用。

(3)通过初选系数，试算及对比验证的方法，证明了所选系数的合理性，并使用这些系数指导设计，总结出一些铅泵设计的计算方法。

[1] 陈贻伍等.有色金属冶炼设备Ⅲ：电解及物料输送设备[M].北京：冶金工业出版社，1994.

[2] 崔鹏，魏凤玉.化工原理[M].合肥：合肥工业大学出版社，2003.

[3] 成大先等.机械设计手册(第2卷)[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4] 齐共金.无机天线罩功能材料的新进展[J].功能材料，2004，(35)：1700-1703.

[5] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.

Improved Design and Hydrodynamics Calculation of Lead Pump

JIA Yuan， HUANG Kun-cheng

Improved design of the lead pump mechanical structure is implemented, so as to decrease the adverse effect from the high temperature. At the same time, the hydrodynamics calculation method of lead pump is summarized, which is valuable for the design of lead pump.

lead pump； bearing arrangement； axle sleeve； hydrodynamic calculation

2015-01-05

贾 源(1985-)，男，湖北竹山人，工程师，硕士研究生，主要从事火法设备设计工作。

TF812

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1003-8884(2015)04-0034-04