多级泵的结构和工作原理

多级泵作为能够提供高扬程流体输送的核心设备，在矿山排水、城市供水、石油化工等众多领域中发挥着举足轻重的作用。深入了解其结构组成与工作原理，是确保设备高效运行、精准维护的基础。而在保障多级泵安全稳定运转的诸多环节中，安全阀校验是不可忽视的重要一环，它如同设备的 “安全卫士”，能在系统压力异常时及时响应，避免因超压引发的故障甚至事故。以下将详细解析多级泵的结构特点与工作原理，为全面掌握该设备的性能与运维要点提供清晰指引。

01.多级泵的工作原理

被输送的液体，在给定的压力下进入泵的吸入口，由于叶轮的作用，使液体的动能和势能都增加，液体进入导叶后，一部分动能转换为势能（每一/级叶轮都配有一个导叶），导叶的反叶片在有利的水力特性下把液体输送下一/级叶轮的入口。

由于一/级到另一/级的这种过程的重复进行，每一/级都增加了同样的压力，在通过末级导叶后，流体进入到筒形体的环形室，最后通过吐出口进入到吐出管路。

02.多级泵的结构

多级泵主要由定子、转子、轴承、轴封四大部分组成。

转子部分主要由轴、叶轮、平衡盘、轴套等组成。

主要部件由：低压吸入段（进料管、进料室）；泵体（蜗壳、导翼、防磨环）；高压装置（填料密封、机械密封）；泵轴（轴间套、叶轮、定位键、轴承）组成。

辅助装置：支架、机座、联轴器、电机、过滤器等。

多级泵的叶轮通常采用闭式结构，相邻叶轮之间通过导叶形成流道转换。当液体从第一级叶轮流出时，导叶不仅起到能量转换的作用，还能有效消除流体旋转带来的涡流损失。随着级数的增加，流体压力呈阶梯式上升，这就要求各级叶轮的密封环必须具有极高的配合精度，以防止高压流体向低压区泄漏。

在高压工况下，平衡盘装置发挥着关键作用。它通过自动调节轴向间隙，平衡转子受到的巨大轴向推力。现代多级泵往往采用双向金属波纹管机械密封，这种设计能适应高达25MPa的工作压力，其冷却系统采用自循环冲洗方案，既保证了密封面的润滑，又避免了外部冷却水的污染问题。

值得注意的是，多级泵的振动控制尤为重要。工程师们通常在轴承座加装加速度传感器，实时监测转子的振动幅值。当出现异常振动时，智能控制系统会自动调节出口阀开度，使泵始终工作在最佳效率区。对于输送高温介质的工况，泵体采用分段式预热设计，各级泵壳设置独立的伴热夹套，确保升温过程中热膨胀均匀。

随着材料技术的发展，新型陶瓷涂层叶轮开始应用于腐蚀性介质工况。这种叶轮在保持原有水力性能的同时，使用寿命可达传统不锈钢叶轮的3倍以上。在智能化方面，最新型的多级泵已集成压力、温度、流量等多参数监测模块，通过工业物联网实现远程故障诊断和预测性维护。　

多级离心泵的设计精巧，其叶轮组是安装在同一泵轴上的，而叶轮的外侧则配备了液体导流装置及泵壳。要了解如何轻松地将这些叶轮组装入或取出泵体，我们有两种主要方法。一种方法是，将泵体及导流装置沿泵轴的轴线进行水平剖分，这样泵体就被分为上下两部分，这种设计被称为水平剖分式多级离心泵。另一种方法则是，沿泵轴方向，在叶轮之间以一个垂直于泵轴的平面将泵体及液体导流装置剖切成若干个段，这样的设计则被称为分段式多级离心泵。

水平剖分式多级离心泵的结构。这种设计将泵体及导流装置沿泵轴的轴线进行水平剖分，使得泵体被巧妙地分为上下两部分。这样的结构特点，使得叶轮的组装和取出变得相对简单和便捷。

1、水平剖分式多级离心泵的结构特点

这种泵以蜗壳形泵体为基础设计，其独特之处在于每个叶轮外均配备了相应的蜗室，类似于将多个单级蜗壳泵串联于同一轴上。因此，它也被称为蜗壳式多级泵。其泵体采用水平剖分设计，使得吸入口和排出口能够直接铸造在泵体上，从而简化了检修过程。在检修时，只需移除泵盖，便可轻松暴露整个转子，甚至在需要吊出转子时，也无需拆卸连接管路。

此外，该泵的叶轮通常采用偶数对称布置，这种设计有效地平衡了大部分轴向力，因此无需额外安装轴向平衡装置。其流量范围广泛，可达450～1500m'/h，且最高扬程可至1800mHz0。但值得注意的是，由于叶轮的对称布置和泵壳内的交叉流道设计（如图2所示），这种泵相较于同性能的分段式多级泵，体积更大，铸造工艺更为复杂。同时，在高压环境下，泵盖和泵体的结合面密封也面临一定的挑战。

2、分段式多级离心泵的构造特点

在高压环境下，分段式多级离心泵成为常用的选择。这种泵为垂直剖分多级设计，由前段、尾段及多个中段组成，并通过四个长杆螺栓紧密连接成一个整体。泵轴上叶轮的数量决定了离心泵的级数，而每个中段的叶轮都配备一个导轮，其功能类似于蜗壳，主要负责将动能高效转化为静压能。叶轮通常为单吸设计，且吸入口均朝向同一方向。为平衡轴向力，末段后装有平衡盘，并与前段进口通过平衡管相连通。在工作过程中，转子可沿轴向左右轻微窜动，平衡盘的推力则负责将转子维持在平衡位置附近。此外，轴的两端均由轴承支承并置于轴承座上，同时设有轴封装置以确保密封性。

分段式多级离心泵根据不同使用场合可分为多种类型，包括一般分段式多级离心泵（如图3所示）、中低压锅炉给水泵（如图4所示）以及高压锅炉给水泵（如图5所示）。

在高压环境下，分段式多级离心泵的应用尤为广泛。其中，一种特殊类型的多级离心泵，其叶轮采用了对称排列的设计。这种设计使得泵的构造更为紧凑，同时也有助于提高泵的效率和稳定性。在高压锅炉给水泵的应用中，这种对称排列的叶轮设计更是发挥了其独特优势，确保了泵在高强度工作环境下的稳定运行。

分段式多级离心泵，一种在高压环境下广泛应用的设备，其结构特点鲜明。通过结构图，我们可以清晰地看到泵的各个组成部分，包括叶轮、导叶、轴和轴承等。这种分段式的设计，不仅使得泵的维护更为便捷，还增强了其在高压工作环境下的稳定性。

1-进水段；

2-中段；

3-升轮；

4-轴；

5-导轮；

6-承磨环；

7-叶轮挡套；

8-导叶套；

9-平衡盘；

10-平衡套；

11-平衡环；

12-出水段导轮；

13-出水段；

14-尾盖；

15-轴套乙；

16-轴套螺母；

17-挡水圈；

18-平衡盘指针；

19-轴承乙部件；

20-联轴器；

21-轴承甲部件；

22-油环；

23-轴套甲；

24-填料压盖；

25-水封环；

26-拉紧螺栓

低压锅炉给水泵，其输送液体的温度大约维持在110℃，其结构与常规的分段式多级离心泵相似，因此许多部件可以通用。然而，当中压锅炉给水泵被考虑时，情况就有所不同了。由于中压锅炉给水泵面临更高的工作压力和温度，因此对其轴封装置的要求也更为严格。除了必要的润滑，某些轴承甚至需要循环水进行冷却。此外，为了应对高温，有时会在泵体外部加装钢板卷成的圆筒罩以实现隔热。在支承方面，这种泵有时会采用中心支承设计。

对于高压锅炉给水泵，其输送液体的温度范围为160-170℃，且出口压力超过15MPa。鉴于高温环境的影响，泵的转动部件多选用膨胀系数一致的合金材质。在叶轮与泵轴的装配上，会预留大约0.50mm的轴向间隙，旨在防止启动初期因叶轮热膨胀而导致的相互挤压，进而避免对泵轴造成拉伸损伤。此外，泵轴采用中心支承设计，确保泵体在启动后的热膨胀以泵轴线为中心向四周均匀扩散，从而维持机组的精准对中，并使转子在泵壳内始终保持居中状态。

为了确保机组在热胀冷缩时仍能保持同心，高压锅炉给水泵的壳体下部精心设计了纵向滑销和垂直滑销，它们与泵座上的销槽和销孔精准配合。此外，泵的轴承座被稳固地安装在两端的前段和后段上，每处轴承座都配备了三支调节螺钉，以便精确调节轴承与泵壳的同心度。

在叶轮的运转中，轴向推力是不可避免的。为了有效平衡多级泵的轴向推力，我们采取了两种措施。对于水平剖分式的多级泵，通过叶轮的对称布置和正反向安装，使得叶轮的轴向推力相互抵消，达到平衡状态。而对于分段式多级离心泵，由于时轮同向安装产生的轴向力方向一致，我们在末级叶轮后端增设了推力平衡装置，以此平衡各级叶轮所产生的轴向推力。

在实际运行中，分段式多级离心泵的转子轴向窜动量通常控制在0.10—0.15mm范围内，窜动频率约为每分钟10～20次。需要注意的是，如果介质中含有泥沙或其他固体物质，平衡盘和平衡环容易因磨损而受损。因此，为了延长零件的使用寿命，我们通常选用耐磨金属如青铜、灰铸铁等来制造平衡盘和平衡环，以抵抗磨损的影响。

3、分段式多级离心泵的工作原理

在分段式多级离心泵中，每个叶轮的外部都配备了一个固定的导轮。这个导轮的作用是，将叶轮甩出的液体的一部分动能通过减速转化为静压能，并将这些液体沿径向收集后引入到下一级叶轮的入口处。导轮的正面设有环绕叶轮外缘的正向导叶，而背面则设有将液体引向下一级叶轮入口的反向导叶，其结构如图6所示。

当液体从叶轮甩出后，它会首先进入与流速方向一致的正向导叶，沿导叶流动过程中速度逐渐降低，而静压能则不断提高。当液体到达导轮最外侧的空腔时，其流速最小，静压能最高。随后，液体从正向导叶流出，绕过导轮内部的间隔板，再沿反向导叶向内侧流动，同时降低环向流速，最后沿轴向进入下一级叶轮。

与蜗壳相比，导轮的外形尺寸较小，动能转化为静压能的效率也略低。然而，由于导轮具有多个叶片，当泵的实际工况与设计工况偏离时，液体流出叶轮的运动轨迹可能与导轮叶片形状不一致，导致较大的冲击损失和效率降低。因此，使用导轮装置的离心泵高效工作区域相对较窄，扬程和效率曲线也较蜗壳泵更为陡峭。

此外，由于导轮具有中心对称性，不会像蜗壳那样对转子产生径向压力。所以在多级泵的设计中，通常在首尾两段使用蜗壳，而在中部若干段则采用导轮。需要注意的是，由于导轮的几何形状较为复杂，通常采用铸铁进行铸造。

与单级离心泵相似，多级离心泵不具备自吸能力，因此启动前必须进行灌泵操作。多级离心泵的工作原理是通过叶轮带动液体高速旋转，利用离心力为液体提供能量。具体来说，位于一段叶轮前侧的吸入室内的液体将进入第一级叶轮并受到叶轮的推动作用。随后，这些液体被甩入第一级导轮并经过转能后进入第二级叶轮，以此类推直至从末段叶轮甩出并经蜗壳收集后排出。

现在我们已经了解了多级离心泵的工作原理和结构特点接下来我们可以进一步探讨一个有趣的问题：为什么多级离心泵的入口通常设置在驱动端？这个问题留给读者作为思考和讨论的话题。

推力轴承的结构相较于径向轴承更为复杂，其拆装过程相对不便。若更换驱动端轴承，则需拆卸联轴器，这无疑增加了拆装维修的难度。然而，将推力轴承置于联轴器端，则轴向窜量的调整将更为简便。

平衡转子零件的均衡分布也是考虑因素之一。若入口设置在非驱动侧，那么平衡盘、平衡鼓等零件则需安装在驱动侧，这将导致驱动侧重量相对较大。

在推力轴承设计于非驱动端的情况下，轴向力通常从非驱动端指向驱动端。由于残余轴向力由推力轴承承受，并最终由轴承座承载，因此推力轴承承受的是拉力，这显著增强了轴承座的承载能力。主轴向力通常从高压端指向入口低压端，但通过增加平衡机构，总轴向力可以被外推，从而避免磨损平衡盘。

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