反渗透海水淡化用提升泵的设计
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ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ，ｄｏｕｂｌｅ ｖｏｌｕｔｅ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｗａｓ ｃｈｏｓｅｎ．Ｔｈｉｃｋ ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｒａｔｉｏ ｗｅｒｅ
ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ １ ００ ｈ ｔｅｓｔ ａｔ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ Ｃａｌｌ ｍａｉｎｔａｉｎｓ ｇｏｏｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｐｕｍｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ ａｎｄ ｈａｓ ｓｍａｌｌ ｗｅａｌ ｌｏｓｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｓｈａｆｔ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ；ＳＷＲＯ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ；ａｘｉａｌ ｔｈｒｕｓｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ
第２７卷第３期
排灌机械
２００９年５月Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２００９
反渗透海水淡化用提升泵的设计
胡敬宁，潘金秋，周广凤，周生贵，肖霞平
（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３）
摘要：针对提升泵存在轴头力过大的问题，采用调整１２环直径、前盖板加装辅助叶片、降低转速 等方法进行轴向力平衡，对于２ ５００ ｔ／ｄ反渗透海水淡化的提升泵，通过降低转速增加叶轮尺寸的 方法来平衡轴向力使结构更趋合理．结合反渗透海水淡化的工艺流程，提出提升泵性能参数的确定 方法．鉴于提升泵入口高压的运行环境，选择单级悬臂、双蜗壳、三推力轴承组合结构形式，采用较 粗的轴径和较小的悬臂比，提高系统的稳定性．应用新型的上游泵送机械密封，通过１００ ｈ的运转 试验，在较高的压力环境下运行，仍能保持良好的密封性能，且断面无接触，磨损量小，解决了高压 环境下轴封反复失效的问题． 关键词：提升泵；反渗透海水淡化；高压入口；轴向力；机械密封 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—６２５４（２００９）０３—０１５０—０４
１提升泵的参数确定
现在的反渗透系统大多采用效率较高的压力交 换能量回收装置，其工作原理是采用等量的液体进 行压力能的交换．在交换过程中存在能量的损失，提 升泵的作用就是弥补这部分的损失．从反渗透海水 淡化工艺流程可知，提升泵的流量与高压浓海水的 流量相等，根据反渗透膜的产淡水率，可以计算出提
Ｑ＝半Ｑ。 升泵的流量
ｎ
一
一平衡部分一
ｋ一 产生轴向力部分
ｑ
ｕ
≮
图２ 叶轮入口压力分布图
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒ
３．１ 平衡措施 对于悬臂式泵来说平衡轴头力的方法通常有３
万方数据
１５２
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ排灌
种：①调整口环的直径；②在前盖板设计辅助叶片； ③降低泵的转逮对于更大规模的反渗透海水淡化 系统，应采用两端支撑的双吸叶轮结构，叶轮背靠背 布置，不存在轴头力，也不存在水力不平衡问题． ３．２ 轴向力计算
我国是一个淡水资源严重缺乏的国家．而海水 淡化是解决我国沿海地区淡水严重短缺的有效途径 之一‘¨．反渗透海水淡化技术由于其设备投资小、 能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近年来发展速
度很快，已成为海水淡化的主导技术．但系统中的几 大关键设备——高压泵、能量回收装置、提升泵等目 前都还依赖进口，成为制约我国海水淡化成本的一 大瓶颈‘２．４］．
轮毂直径；ｔｏ为角速度；ｕ：为叶轮出口圆周速度．
几＝（罢）２志 动反力
（６）
ｒｉ赫；Ｄｌ为进口直径； 式中容积效率７７ｖ ２
ｎ。为比转速． 在前盖板加辅助叶片，减少前盖板作用力，如图
３所示．
机械
第２７卷
叶轮残余不平衡力
Ｆ＝Ｆ。＋几一疋一凡
（８）
当设计转速为ｎ＝２ ９５０ ｒ／ｍｉｎ时，进口直径Ｄ。＝
Ｆ４＝∞２ｐ【（半）‘一１】（Ａ２一Ａ。）（Ｄ；一ｄ：）似
（７） 式中ｔ为辅助叶片宽度，取５ ｍｍ；ｓ为前盖板和壳体 壁的宽度，取６．５ ａｍ；Ａ。为以ｄ。为直径的圆面积；Ａ２ 为以Ｄ：为直径的圆面积．
由表２可知，当口环直径取１７０ ｍｒｆｌ时，残余不 平衡力为一０．３３７ ｋＮ，泵轴处于轴向拉力状态，此时 口环直径相对叶轮外径和进口直径分配也比较 合理．
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｗａｔｅｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｔｈｅ ｗａｙ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ
为重力加速度，ｍ／ｓ２；ｐ为海水密度，取ｌ ０５０ ｋｇ／ｍ３；
田画为能量回收装置效率．
压力交换式能量回收装置包括旋转压力交换器
（ＰＸ）和双筒往复式能量回收装置ＤＷＥＥＲ，其中
ＰＸ效率在０．９５左右．ＤＷＥＥＲ效率为０．９２—０．９５．
对于ＰＸ能量交换匹配的提升泵扬程一般在３０～４０
ｍ；ＤＷＥＥＲ装置匹配的提升泵扬程为３０～５０ ｍ．目
ＡＰｌ６１０（第十版）标准《石油、重化学和天然气工业 用离心泵》，选用ＯＨｌ型单级悬臂结构．由于泵的入 口高压，支撑结构设计上接近美洲流程泵习惯，采用 较粗的轴径，将欧美洲流程泵习惯采用的１．５的悬 臂比设计成１．２，优化轴的结构，适当加大轴承规 格，在结构允许的基础上采用三推力轴承组合，以保 证提升泵有更好的刚度和强度．
０．１３６ ｋＮ．
Ｔａｂ．２
表２残余不平衡力与口环直径的关系 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ
图３ 辅助叶片安装位置
Ｆｉｇ．３ Ｖｉｃｅ ｂｌａｄｅｓ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
辅助叶片平衡力
图１ 提升泵结构图
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ
３ 轴向力的平衡措施
由泵的人口高压引起的轴头力是提升泵设计的 难点之一．轴头力是指轴头吸入压力和大气压力不 同引起的压力，见图２．这个轴头力非常大，其作用 方向背向进口方向，所以在设计时，需要尽可能增大 盖板力来平衡轴头力的大小．对于悬臂式泵在设计 时应尽可能保证轴有一定的拉力，可以改善轴的临 界转速，残余的不平衡力由推力轴承承担．用轴承寿 命公式粗略计算出推力轴承所能承受的最大当量动 载荷约２．５ ｋＮ．
万方数据
第３期
胡敬宁等：反渗透海水淡化用提升泵的设计
１５１
提升泵作为补充能量回收装置压力损失的设 备，其工作特点就是入口高压，目前国内对该类泵的 研究仍处于摸索阶段．
笔者结合单线２ ５００ ｔ／ｄ反渗透海水淡化系统， 对提升泵的参数确定、结构选取、轴向力的平衡措 施、高压机械密封的设计等问题进行阐述．
通过以上分析，２ ５００ ｔ／ｄ规模的海水淡化用提 升泵，存在泵转速的选择问题，对于流量较小的泵， 由于轴径较细，轴头力较小，通过调整叶轮口环大小 和加装辅助叶片的方法完全可以平衡轴头力．但对 于大泵，由于轴径变粗，轴头力增大，口环的调整空 间有限，只有通过降低转速才能实现轴向力的平衡．
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ｓｅａｗａｔｅｒ ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ
Ｈｕ Ｊｉｎｇｎｉｎｇ，Ｐａｎ Ｊｉｎｑｉｕ，Ｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｆｅｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｓｈｅｎｇｇｕｉ，Ｘｉａｏ Ｘｉａｐｉｎｇ （Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ａｘｉａｌ ｈｅａｄ ｆｏｒｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ，ｔｈｒｅｅ
ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｅａｒｉｎｇ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｖｉｃｅ ｂｌａｄｅｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｅａｒｉｎｇ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｖｉｃｅ ｂｌａｄｅｓ ｏｎ ｆｒｏｎｔ ｃｏｖｅｒ ｏｆ ｉｍ· ｐｅｌｌｅｒ ｃａｎ ｂａｌａｎｃｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ２ ５００ ｔ／ｄ ＳＷＲＯ．ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａ－ ｂｌｅ ｉｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｔｏ ｂａｌａｎｃｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ．
收稿日期：２００９一０２—２７
基金项目：国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＢ０３Ａ０２）；江苏省高新技术项目（ＢＧ２００６０２４） 作者简介：胡敬宁（１９６２一），男，安徽安庆人，研究员（ｈｕｊｉｎｇｎｉｎｇ＠２６３．ｎｅｔ），主要从事流体机械及工程研究
潘金秋（１９８３一）。男，江苏泰州人，硕士生（ｐａｎｊｉｎｑｉｕ２００５＠１２６．ｃｏｍ），主要从事流体机械研究．
由表１可见残余轴向力随口环直径的增大而减 小，当叶轮口环直径为１６０ ｍｍ时，轴向力小于２．５ ｋＮ，原则上平衡了轴向力，但对于１２０ ｍｍ的叶轮进 口直径和１９０ ｍｍ的叶轮外径来说，这样的结构很 不合理，且泵轴处于推力状态，运行欠稳定．
为了平衡轴向力，降低泵的转速．当ｎ＝ １ ４５０ ｒ／ｒａｉｎ时，叶轮进口直径Ｄｌ＝１５０ ｍｍ，叶轮外 径Ｄ２＝３８０ ｍｍ，ｄ。＝５３ ｍｍ，ｄｈ＝６３ ｍｍ，其计算结果 见表２，其中轴头力Ｆ。＝１２．７９５ ｋＮ，动反力Ｆ３＝
式中Ｑ。。为单线日产淡水量，ｍ３／ｈ；Ｃ为产淡水率．
海水淡化生产装置的产淡水率随着外部环境和
用户的需求不同有一定的变化，设计要求一般取
０．４０—０．４５，提升泵流量可近似表达为
Ｑ＝（１．２～１．５）Ｑ。
（２）
提升泵的扬程取决于压力能量回收装置的效率，计
日：丛型 算公式如下： （３） Ｐｇ
式中日为提升泵扬程，ｍ；Ｐ为膜堆操作压力，Ｐａ；ｇ
前，在我国海水淡化上，ＤＷＥＥＲ能量回收装置尚无
选用先例一．６ Ｊ．
根据以上分析，对于单线Ｅｔ产淡水量２ ５００ ｔ／ｄ、
膜堆压力等级６．４ ＭＰａ的反渗透系统，可以得出提
升泵的技术参数为：流量Ｑ＝１５０ ｍ３／ｈ；扬程Ｈ＝４０
ｍ；人口压力Ｐ１＝５．８ ＭＰａ．
２ 结构选取
为了满足连续无间断的运转要求，设计上执行
轴向力计算方法旧３如下
轴头力
ＦＩ＝ｄ：即ｌ／４
（４）
式中Ｐ，为入口压力；ｄ。为填料处的轴径．
盖板力
ｋ地铲】（５） 。
，２
２—唰（—Ｄ：■一ｄｒ：—） ｘ
式中Ｈｐ＝只［１一ｇＨ，／（２ｕ；）］；日。＝Ｈ／７Ｉｈ；＇７ｈ＝１＋
ｏ．０８３ ５ｌｇ√萼．其中且为理论扬程；＇７。为水力效
率；Ｄ：为叶轮外径；Ｄ。为叶轮口环直径；ｄ。为叶轮
１２０ ｍｍ，叶轮外径Ｄ２＝１９０ ａｍ，ｄ。＝４０ ｍｍ，ｄｈ＝ ５０ ｍｍ．由式（４）～（９）计算轴向力，结果见表ｌ，其
中轴头力Ｆｌ＝７．２８８ ｋＮ，动反力Ｆ，＝０．２０５ ｋＮ．
Ｔａｂ．１
表１残余不平衡力与口环直径的关系
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ
采用双蜗壳结构，如图１所示，减小径向力；提 高轴承的使用寿命．同时双蜗壳也可以加大高效区 的范围，在非设计工况下，蜗壳水流速度大小与方向 与蜗壳内流动不再匹配，蜗壳中湍流度增加，水力损 失增加，而双蜗壳结构中每个蜗壳的流量仅有单蜗 壳的一半，同时流道的湿周较大，水流湍流度、雷诺 应力都将减小，水力损失下降¨Ｊ．
ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ １ ００ ｈ ｔｅｓｔ ａｔ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ Ｃａｌｌ ｍａｉｎｔａｉｎｓ ｇｏｏｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｐｕｍｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ ａｎｄ ｈａｓ ｓｍａｌｌ ｗｅａｌ ｌｏｓｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｓｈａｆｔ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ；ＳＷＲＯ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ；ａｘｉａｌ ｔｈｒｕｓｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ
第２７卷第３期
排灌机械
２００９年５月Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２００９
反渗透海水淡化用提升泵的设计
胡敬宁，潘金秋，周广凤，周生贵，肖霞平
（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３）
摘要：针对提升泵存在轴头力过大的问题，采用调整１２环直径、前盖板加装辅助叶片、降低转速 等方法进行轴向力平衡，对于２ ５００ ｔ／ｄ反渗透海水淡化的提升泵，通过降低转速增加叶轮尺寸的 方法来平衡轴向力使结构更趋合理．结合反渗透海水淡化的工艺流程，提出提升泵性能参数的确定 方法．鉴于提升泵入口高压的运行环境，选择单级悬臂、双蜗壳、三推力轴承组合结构形式，采用较 粗的轴径和较小的悬臂比，提高系统的稳定性．应用新型的上游泵送机械密封，通过１００ ｈ的运转 试验，在较高的压力环境下运行，仍能保持良好的密封性能，且断面无接触，磨损量小，解决了高压 环境下轴封反复失效的问题． 关键词：提升泵；反渗透海水淡化；高压入口；轴向力；机械密封 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—６２５４（２００９）０３—０１５０—０４
１提升泵的参数确定
现在的反渗透系统大多采用效率较高的压力交 换能量回收装置，其工作原理是采用等量的液体进 行压力能的交换．在交换过程中存在能量的损失，提 升泵的作用就是弥补这部分的损失．从反渗透海水 淡化工艺流程可知，提升泵的流量与高压浓海水的 流量相等，根据反渗透膜的产淡水率，可以计算出提
Ｑ＝半Ｑ。 升泵的流量
ｎ
一
一平衡部分一
ｋ一 产生轴向力部分
ｑ
ｕ
≮
图２ 叶轮入口压力分布图
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒ
３．１ 平衡措施 对于悬臂式泵来说平衡轴头力的方法通常有３
万方数据
１５２
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ排灌
种：①调整口环的直径；②在前盖板设计辅助叶片； ③降低泵的转逮对于更大规模的反渗透海水淡化 系统，应采用两端支撑的双吸叶轮结构，叶轮背靠背 布置，不存在轴头力，也不存在水力不平衡问题． ３．２ 轴向力计算
我国是一个淡水资源严重缺乏的国家．而海水 淡化是解决我国沿海地区淡水严重短缺的有效途径 之一‘¨．反渗透海水淡化技术由于其设备投资小、 能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近年来发展速
度很快，已成为海水淡化的主导技术．但系统中的几 大关键设备——高压泵、能量回收装置、提升泵等目 前都还依赖进口，成为制约我国海水淡化成本的一 大瓶颈‘２．４］．
轮毂直径；ｔｏ为角速度；ｕ：为叶轮出口圆周速度．
几＝（罢）２志 动反力
（６）
ｒｉ赫；Ｄｌ为进口直径； 式中容积效率７７ｖ ２
ｎ。为比转速． 在前盖板加辅助叶片，减少前盖板作用力，如图
３所示．
机械
第２７卷
叶轮残余不平衡力
Ｆ＝Ｆ。＋几一疋一凡
（８）
当设计转速为ｎ＝２ ９５０ ｒ／ｍｉｎ时，进口直径Ｄ。＝
Ｆ４＝∞２ｐ【（半）‘一１】（Ａ２一Ａ。）（Ｄ；一ｄ：）似
（７） 式中ｔ为辅助叶片宽度，取５ ｍｍ；ｓ为前盖板和壳体 壁的宽度，取６．５ ａｍ；Ａ。为以ｄ。为直径的圆面积；Ａ２ 为以Ｄ：为直径的圆面积．
由表２可知，当口环直径取１７０ ｍｒｆｌ时，残余不 平衡力为一０．３３７ ｋＮ，泵轴处于轴向拉力状态，此时 口环直径相对叶轮外径和进口直径分配也比较 合理．
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｗａｔｅｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｔｈｅ ｗａｙ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ
为重力加速度，ｍ／ｓ２；ｐ为海水密度，取ｌ ０５０ ｋｇ／ｍ３；
田画为能量回收装置效率．
压力交换式能量回收装置包括旋转压力交换器
（ＰＸ）和双筒往复式能量回收装置ＤＷＥＥＲ，其中
ＰＸ效率在０．９５左右．ＤＷＥＥＲ效率为０．９２—０．９５．
对于ＰＸ能量交换匹配的提升泵扬程一般在３０～４０
ｍ；ＤＷＥＥＲ装置匹配的提升泵扬程为３０～５０ ｍ．目
ＡＰｌ６１０（第十版）标准《石油、重化学和天然气工业 用离心泵》，选用ＯＨｌ型单级悬臂结构．由于泵的入 口高压，支撑结构设计上接近美洲流程泵习惯，采用 较粗的轴径，将欧美洲流程泵习惯采用的１．５的悬 臂比设计成１．２，优化轴的结构，适当加大轴承规 格，在结构允许的基础上采用三推力轴承组合，以保 证提升泵有更好的刚度和强度．
０．１３６ ｋＮ．
Ｔａｂ．２
表２残余不平衡力与口环直径的关系 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ
图３ 辅助叶片安装位置
Ｆｉｇ．３ Ｖｉｃｅ ｂｌａｄｅｓ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
辅助叶片平衡力
图１ 提升泵结构图
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ
３ 轴向力的平衡措施
由泵的人口高压引起的轴头力是提升泵设计的 难点之一．轴头力是指轴头吸入压力和大气压力不 同引起的压力，见图２．这个轴头力非常大，其作用 方向背向进口方向，所以在设计时，需要尽可能增大 盖板力来平衡轴头力的大小．对于悬臂式泵在设计 时应尽可能保证轴有一定的拉力，可以改善轴的临 界转速，残余的不平衡力由推力轴承承担．用轴承寿 命公式粗略计算出推力轴承所能承受的最大当量动 载荷约２．５ ｋＮ．
万方数据
第３期
胡敬宁等：反渗透海水淡化用提升泵的设计
１５１
提升泵作为补充能量回收装置压力损失的设 备，其工作特点就是入口高压，目前国内对该类泵的 研究仍处于摸索阶段．
笔者结合单线２ ５００ ｔ／ｄ反渗透海水淡化系统， 对提升泵的参数确定、结构选取、轴向力的平衡措 施、高压机械密封的设计等问题进行阐述．
通过以上分析，２ ５００ ｔ／ｄ规模的海水淡化用提 升泵，存在泵转速的选择问题，对于流量较小的泵， 由于轴径较细，轴头力较小，通过调整叶轮口环大小 和加装辅助叶片的方法完全可以平衡轴头力．但对 于大泵，由于轴径变粗，轴头力增大，口环的调整空 间有限，只有通过降低转速才能实现轴向力的平衡．
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ｓｅａｗａｔｅｒ ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ
Ｈｕ Ｊｉｎｇｎｉｎｇ，Ｐａｎ Ｊｉｎｑｉｕ，Ｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｆｅｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｓｈｅｎｇｇｕｉ，Ｘｉａｏ Ｘｉａｐｉｎｇ （Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ａｘｉａｌ ｈｅａｄ ｆｏｒｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ，ｔｈｒｅｅ
ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｅａｒｉｎｇ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｖｉｃｅ ｂｌａｄｅｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｅａｒｉｎｇ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｖｉｃｅ ｂｌａｄｅｓ ｏｎ ｆｒｏｎｔ ｃｏｖｅｒ ｏｆ ｉｍ· ｐｅｌｌｅｒ ｃａｎ ｂａｌａｎｃｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ２ ５００ ｔ／ｄ ＳＷＲＯ．ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａ－ ｂｌｅ ｉｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｔｏ ｂａｌａｎｃｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ．
收稿日期：２００９一０２—２７
基金项目：国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＢ０３Ａ０２）；江苏省高新技术项目（ＢＧ２００６０２４） 作者简介：胡敬宁（１９６２一），男，安徽安庆人，研究员（ｈｕｊｉｎｇｎｉｎｇ＠２６３．ｎｅｔ），主要从事流体机械及工程研究
潘金秋（１９８３一）。男，江苏泰州人，硕士生（ｐａｎｊｉｎｑｉｕ２００５＠１２６．ｃｏｍ），主要从事流体机械研究．
由表１可见残余轴向力随口环直径的增大而减 小，当叶轮口环直径为１６０ ｍｍ时，轴向力小于２．５ ｋＮ，原则上平衡了轴向力，但对于１２０ ｍｍ的叶轮进 口直径和１９０ ｍｍ的叶轮外径来说，这样的结构很 不合理，且泵轴处于推力状态，运行欠稳定．
为了平衡轴向力，降低泵的转速．当ｎ＝ １ ４５０ ｒ／ｒａｉｎ时，叶轮进口直径Ｄｌ＝１５０ ｍｍ，叶轮外 径Ｄ２＝３８０ ｍｍ，ｄ。＝５３ ｍｍ，ｄｈ＝６３ ｍｍ，其计算结果 见表２，其中轴头力Ｆ。＝１２．７９５ ｋＮ，动反力Ｆ３＝
式中Ｑ。。为单线日产淡水量，ｍ３／ｈ；Ｃ为产淡水率．
海水淡化生产装置的产淡水率随着外部环境和
用户的需求不同有一定的变化，设计要求一般取
０．４０—０．４５，提升泵流量可近似表达为
Ｑ＝（１．２～１．５）Ｑ。
（２）
提升泵的扬程取决于压力能量回收装置的效率，计
日：丛型 算公式如下： （３） Ｐｇ
式中日为提升泵扬程，ｍ；Ｐ为膜堆操作压力，Ｐａ；ｇ
前，在我国海水淡化上，ＤＷＥＥＲ能量回收装置尚无
选用先例一．６ Ｊ．
根据以上分析，对于单线Ｅｔ产淡水量２ ５００ ｔ／ｄ、
膜堆压力等级６．４ ＭＰａ的反渗透系统，可以得出提
升泵的技术参数为：流量Ｑ＝１５０ ｍ３／ｈ；扬程Ｈ＝４０
ｍ；人口压力Ｐ１＝５．８ ＭＰａ．
２ 结构选取
为了满足连续无间断的运转要求，设计上执行
轴向力计算方法旧３如下
轴头力
ＦＩ＝ｄ：即ｌ／４
（４）
式中Ｐ，为入口压力；ｄ。为填料处的轴径．
盖板力
ｋ地铲】（５） 。
，２
２—唰（—Ｄ：■一ｄｒ：—） ｘ
式中Ｈｐ＝只［１一ｇＨ，／（２ｕ；）］；日。＝Ｈ／７Ｉｈ；＇７ｈ＝１＋
ｏ．０８３ ５ｌｇ√萼．其中且为理论扬程；＇７。为水力效
率；Ｄ：为叶轮外径；Ｄ。为叶轮口环直径；ｄ。为叶轮
１２０ ｍｍ，叶轮外径Ｄ２＝１９０ ａｍ，ｄ。＝４０ ｍｍ，ｄｈ＝ ５０ ｍｍ．由式（４）～（９）计算轴向力，结果见表ｌ，其
中轴头力Ｆｌ＝７．２８８ ｋＮ，动反力Ｆ，＝０．２０５ ｋＮ．
Ｔａｂ．１
表１残余不平衡力与口环直径的关系
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ
采用双蜗壳结构，如图１所示，减小径向力；提 高轴承的使用寿命．同时双蜗壳也可以加大高效区 的范围，在非设计工况下，蜗壳水流速度大小与方向 与蜗壳内流动不再匹配，蜗壳中湍流度增加，水力损 失增加，而双蜗壳结构中每个蜗壳的流量仅有单蜗 壳的一半，同时流道的湿周较大，水流湍流度、雷诺 应力都将减小，水力损失下降¨Ｊ．