高温高压泵的研究现状

段小辉 孔繁余 李洋 刘莹莹 赵瑞杰

(江苏大学国家水泵及系统技术工程研究中心，江苏镇江; 212013)

摘要:高温高压泵输送高温高压介质，水力结构特殊，其内部流动、部件状况、运行稳定性等方面的研究对其水力及结构设计具有重要的指导意义。现有研究主要采用数值模拟或试验的方法，从不同方面提出改进意见以提高泵的性能。本文阐述了高温高压泵内部流场、密封、水力部件、压力脉动以及转子动力学等方面的研究状况，并提出了未来高温高压泵的发展趋势。

关键词:高温高压 泵结构 性能 发展综述

引言

随着科技的进步，高温高压泵的用途越来越广，目前主要应用于核电、大型火电、冶金、石油、化工等领域，用于输送各种具有高温高压的介质。由于输送介质具有高温高压特点，因此对高温高压泵的设计研制有严格要求，对其过流部件强度、密封、结构形状等更需进行深入研究。

目前，对高温高压泵的研究主要集中在机械密封、流场分析、过流部件及运行稳定性这几方面。针对高温高压泵冷却等问题的研究也取得了一些成果。本文简要阐述了高温高压泵内部流场、机械密封、过流部件、运行稳定性的研究状况。

1 内部流场

为了设计出高效可靠的高温高压泵水力模型，必须掌握其内部流场特性。随着CFD技术的不断普及，使得泵内部的流场分布得以准确直观的体现，基于流场分析软件对高温高压泵流场的模拟计算日益增多，泵内部的流场分析对改善其水力设计具有重要的指导意义。

张野等研究了硼酸浓度的大小对核主泵的性能影响，得出硼酸浓度对核主泵性能影响甚微，由此验证了清水代替硼酸溶液作为模拟、试验介质是可行的。在进行核主泵性能试验时可用清水代替介质，以减轻试验验证的难度。

针对高温高压泵的设计工况，张玉等利用数值模拟得到了高温高压泵流场和叶片区域的压力、速度及涡量分布，随着流道的逐渐扩张，静压最大值出现在泵壳外壁，且沿叶轮径向方向压力梯度逐渐增大，根据流线分布表明等截面的压水室流动十分复杂。导叶的进口处、叶片出口处区域和核主泵出口段靠近壁面处有相对较大的涡量，并出现较明显的流动分离，由此提出流动分离可能是影响核主泵效率的因素之一。

对于小流量工况，泵流动稳定性下降，龙云等网利用ANSYS软件以核主泵为模型针对小流量工况下的不稳定流动进行分析，推断出小流量工况下泵壳中心出口使沿叶轮旋转方向的主流与出口处的液体相互之间发生摩擦和碰撞，造成能量损失，导致内部流场分布不均匀，并认为对称性结构是导致叶轮叶片进口和出口复杂旋祸的原因之一。

综上所述，高温高压泵内部流场主要受旋涡数量、流动分离的影响，结构的布置、蜗壳截面的选取以及运行工况对内部流场影响很大，在进行水力设计时应注意考虑，以减少内部流动损失，提高水力效率。

2 高温高压泵部件的研究

2.1 高温高压泵的密封

高温高压泵输送高温高压介质，为防止电机腔内部引起很高温升而导致机组发生故障，因此对高温高压泵密封有着严格的技术要求。目前，对高温高压泵机械密封有了较深入的研究。

目前，主要的机械密封由动环、静环、弹簧、动静环密封圈、传动销和防转销组成。常用的高温高压泵机械密封有

1)浮动环与填料的组合密封(如图1)，此密封不仅可以阻止液体泄漏，还可封堵气体，而且填料可以减少泄漏量;

2)金属波纹管机械密封(如图2)，它是将环装金属薄片焊接在一起，形成的元件既作弹性元件也可起到隔离的作用，其优点是密封浮动性与随机补偿性好，但是对温度有一定限制并且易产生颗粒阻塞。

图1 L形浮动密封结构示意图

图2 金属波纹管密封结构示意图

为了更好地适应高温高压泵的运行工况，针对不同高温高压泵的机械密封进行了改进设计。如余伟平等针对250R_II-62高温高压热水循环泵提出了新型组合密封(如图3)。

图3 新型组合密封结构  

此组合密封由三道密封组成，第一道为浮动环密封，用于密封高压高温水并降低其压力;第二道为组合密封，用于密封经第一道密封后的少量泄漏液体，同时可以起到降图3新型组合密封结构温、冲洗、润滑的作用;第三道密封是填料密封，用以密封经第二道密封后的极少量泄漏液体，同时起到冷却、润滑、冲洗的作用。该密封具有降温效果合理、降压效果好、密封胜能良好和安全可靠的特点，适合密封温度为250~265℃的介质，实际运用证明此新型组合密封效果良好。

对于高温高压泵的静密封，2013年，郭宏伟等为满足高温高压屏蔽电泵的要求，设计了温度为320℃、压力为25MPa的主密封双锥环结构(如图4)。经过试验验证主密封无泄漏现象，机组密封结构合理，此次设计拓展了双锥环密封结构的应用范围，为高温高压泵产品的设计提供理论依据。

图4 双锥环密封结构

在一些特殊的场合，由于介质的特殊性，必须保证输送过程中无泄漏，此时必须采用无轴封结构。火电厂中的炉水循环泵(如图5)即采用了无轴封结构，循环泵和湿式驱动电机形成一个封闭的偶联装置，电机部分和泵壳之间通过泵壳紧固螺栓联接，整泵处于密封状态。