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德国KSB公司离心泵独特的设计理念和技术

作者:谢小青 崔海燕,上海电气凯士比核电泵阀有限公司


摘要:具有近150年历史的KSB公司离心泵具有很多先进的设计理念、独特的结构、独特的材料,现列举几个典型的技术或设计理念,与同行们分享。


关键词:KSB公司   离心泵   独特   设计理念   技术

每家离心泵制造商通常都有自己的设计理念,例如,有的追求高效,有的追求安全可靠性,还有的追求安装维护方便,亦或都有。同样,每家离心泵制造商都或多或少具有一些特色设计,例如,独特的外观、特殊的结构等。


对于具有150年历史的德国KSB公司来说,其产品一直以高效、安全可靠性高、寿命长和维护方便而著称,这与其具有很多先进的设计理念和不断进取的独特的结构设计分不开。现列举几个典型的技术或设计理念,与同行们分享。


对于用于特殊工况的高能泵,例如具有超长寿命的百万机组核电站常规岛主给水泵,KSB公司会对首台泵的叶轮进行气泡试验 – 这是德国KSB公司独有的设计理念,以测量其汽蚀初生值NPSHi(而非标准中规定的NPSH3),即第一只气泡产生时作为汽蚀发生的开始,并据此来选择主给水泵的装置汽蚀余量或前置增压泵的扬程,从而保证主给水泵叶轮在合同规定的任何工况下运行时均不会发生汽蚀。见图1和图2。


图1   KSB公司主给水泵叶轮气泡试验


图2   KSB公司主给水泵前置泵扬程的选择


作者曾在好几篇文章中介绍过KSB公司就NPSHi在“特殊用途”高能泵中的设计理念及使用经验,特别是“如何打造高品质百万机组核电站主给水泵”(谢小青,泵工程师,2018年4月号总第68期,P43-47)一文,在国内泵同行中引起了不小争议,并且很荣幸该设计理念在2018年8月号和10号的《泵工程师》期刊上作为专题讨论。


关于NPSHi的研究和应用,由于国内接触较少,很多同行均未做出过多评论。但是非常遗憾的是,极个别“专家”在缺乏对NPSHi深入研究和了解的基础上就在“沈某某,关于泵的NPSH,泵工程师,2018年10月号总第71期,P26-33”一文中武断地认为:“^”形NPSHi曲线与大家公认的大流量和容易忽略的小流量都会发生汽蚀的工程实际严重不符,完全无法解释……如作为判别准则工程案例无法支撑,无实用价值……这种观点严重误导了广大读者,作为技术人员是极其不严谨也是不负责任的。


非常遗憾!特此澄清。同时,借助《泵友圈》平台呼吁国内泵行业期刊在发表专业性文章时,应严把技术关。


其实,国外同行对NPSHi的研究已有数十年历史。而德国KSB公司是第一个将NPSHi应用于工程实践、也是唯一将NPSHi作为主给水泵(高能泵)的必须汽蚀余量的泵制造商,并有数10年的工程应用经验的支撑。从API610第12版标准将“NPSHi作为泵的必需汽蚀余量”正式纳入到高能泵的设计之中的这一事实来看,我们不得不承认德国KSB公司在很多重要工况或重要用途离心泵上的一些设计理念的先进性。

1)挠度设计


KSB公司用于能源行业的双壳体、卧式、多级、可抽芯型离心泵,其内壳体按照转子的挠度进行设计(见图3)。


图3   按照转子挠度设计的内壳体示意图


该结构具有以下两大突出优点:


  • 避免在启动、停机及运行(尤其是在低转速盘车时)过程中转子与静止零部件之间的接触摩擦、抱轴。特别是用于频繁启停的工况,可以大大提高零部件的使用寿命。

  • 可以最小化动/静零部件之间的间隙,提高泵的效率。


2)万向环

同样,在能源行业用的双壳体、卧式、多级、可抽芯型离心泵上,采用了一种独特的万向环结构(见图4)。

图4   万向环+可倾瓦推力轴承结构

与可倾瓦推力轴承配合使用,可以达到以下目的:

  • 自动调心的万向环可以避免可倾瓦块因轴挠度引起的受力不均的问题,可以大大提高推力轴承的使用寿命及运行可靠性。

  • 可(安装测量仪表)对轴向推力进行在线监测,以判断平衡机构的磨损状态。


3)启停装置

KSB公司用于能源行业小机组、化工自备电厂、联合循环机组等场合的卧式、节段型多级离心泵推力轴承侧配有一种独特的装置 - 启停装置(见图5)。

图5   推力轴承+启停装置

启停装置的作用是:确保泵在任何工况下(包括启动或停机过程中),平衡盘或双平衡鼓与平衡座分离,防止咬合、避免磨损,从而可以有效提高平衡机构的使用寿命。

KSB公司独特的蜂窝状耐磨环结构(为KSB公司专利设计,见图6)和优秀的耐磨环材料,使其产品具有以下显著特点:

图6   蜂窝状耐磨环

1)泄漏量低,效率高,从而降低了运营成本。
2)叶轮和壳体耐磨环损坏风险低,寿命长。
3)对固体颗粒不敏感,抗咬合性能高。
4)具有辅助轴承作用,可以改善转子的动力特性。运行稳定性好。

为了迅速适应生产和高效地响应不断变化的条件及新订单,KSB公司开发了适用于智能手机和平板电脑的Sonolyzer APP,可以在20秒内确定定速泵的效率(见图7)。

它通过记录电动机风扇发出的噪音,将其与用户输入的性能数据相匹配。然后将用户输入的性能数据与制造商开发的水力数据库相关联,APP可以确定泵是否在部分负荷下运行,并通过优化水力系统或驱动设备来让用户知道是否存在节能空间。


图7   KSB公司适用于智能手机和平板电脑的Sonolyzer APP确定定速泵的效率

另外,德国KSB公司还为Calio和Calio系列循环泵专门开发了一套智能化动态控制系统,它们基于算法(根据现场实际阻力曲线)自动调整泵的流量和扬程,使工作点始终处于最优状态。

1)火电厂高压锅炉给水泵

KSB集团最近向中国提供了一台可以载入史册的世界上最大功率的锅炉给水泵(泵组最大轴功率为68MW,见图8),用于淮北新建的平山二期燃煤电厂。该泵最高入口温度为270℃,最大承压为52 MPa,运行效率将超过88 %。

图8   KSB集团世界上最大功率的锅炉给水泵

2)第三代1400 MW核电站核主泵

2019年7月15日,全球首台第三代CAP1400核电站湿绕组电机核主泵(1:1)样机(见图9)在上海电气凯士比核电泵阀有限公司顺利完成全部鉴定试验项目,试验数据显示各项性能参数均满足核主泵设计规范书的要求,试验后拆检结果满足验收要求。

图9   全球首台1400MW核电站核主泵

2019年7月31日,样机通过专家鉴定会鉴定。国家核安全监管机构代表全程参与并见证了鉴定试验和拆检过程。



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