作者：王波 魏宗勝，中國成達工程有限公司

1.  皮托泵的發展歷史、結構與工作原理簡述 

 

 

1-1 皮托泵誕生的回顧 

 

皮托管是由法國水利工程師亨利.皮托(Henri.Pitot)于1732年發明的，用于測量河水流速。1923年，F.W.Krogh借鑒皮托管將流速轉化為壓力的原理，首創了簡易的皮托泵。早在1938年，應二戰火箭燃料泵的急需，德國和英國開始對小流量高揚程泵進行研制，因多級離心泵的級數太多, 可靠性差，而往復泵高壓下壓力脈動強烈，且易損件又多，均被否定。

 

研制人員當時提出了兩種全新構思的離心泵[6]。Barske 博士首先提出了高速、開式葉輪、部分流型離心泵方案，避免了以前只是簡單將常規離心泵高速化出現的種種故障。另一全新構思是將葉輪與泵殼聯為一體同步回轉，當時稱為旋轉殼體泵(Rotating Casing pump) 的單級離心泵。

 

如所周知，離心泵的基本原理是葉輪回轉獲得動能，再將動能轉化為壓力能。小流量超高揚程離心泵的效率之所以低，關鍵是葉輪的圓盤摩擦損失太大，此項損失與葉輪直徑的五次方成正比，與轉速的三次方成正比，如果讓葉輪與泵殼同步回轉，液體在獲得動能的過程中的圓盤摩擦損失就幾乎為零。

 

F.W.Krogh首創的簡易皮托泵方案，采用集流管將動能轉化為壓力能。但研制成動的這種全新概念離心泵的流量小于1.1m³/h，且效率低于高速部分流泵，因此未被軍方接受。上世紀六十年代，由于理論研究和制造技術有了突破，旋殼泵又死灰復燃，美國開始研制這種全新概念離心泵，并改稱為皮托泵(Pitot pump)。出于技術保密的需要，皮托泵的美國專利名稱用離心泵。

 

1-2  皮托泵的結構與工作原理   

 

如圖1美國Kobe公司皮托泵的剖面圖所示，轉子部件兩端支撐的結構是早期皮托泵的基本形式，這是因為轉子部件重量加上轉鼓和葉輪充端液體后總重量很重，泵兩端支撐的皮托泵運轉平穩。

 

圖1 美國Kobe公司轉鼓和葉輪兩端支撐的皮托泵剖面圖

 

從圖1看出，泵右端的機械密封與滾動軸承之間的隔離密封一旦失效，機械密封的泄漏液進入軸承，軸承很快損壞，整臺泵必須大修。

 

上世紀七十年代后期，美國Envirotech Pumpsystems公司發明的皮托泵改成如圖2所示的轉鼓和葉輪懸臂的結構，機械密封在轉鼓的背面，即使機械密封出現泄漏，從轉鼓前面的排液口引出，成為目前國內外旋噴泵(皮托泵)的通用結構形式。

 

圖2 美國Envirotech Pumpsystems公司轉鼓和葉輪懸臂的皮托泵剖面圖

 

皮托泵的三個核心件是轉鼓蓋(葉輪)、集流管、轉鼓。液體從進液管進入葉輪，因葉輪高速回轉獲得動能和揚程，高速液體進入轉鼓的外圍，部分高速液體從位于轉鼓最外圍處集流管的入口進入。

 

因集流管的橫截面積逐步擴大，液體流速逐步降低，從而將液體的動能轉化為揚程，最后從出液管排除高壓液體。由于轉鼓蓋與轉鼓是聯為一體同步回轉，因此，液體在葉輪中獲得動能的過程中，無圓盤摩擦損失。集流管的外部形狀為翼型斷面，使繞流阻力最小。

 

 

2.  皮托泵世界領先水平的研發公司和制造商的概況

 

 

掌握這些必要的技術經濟信息，避免出現用外匯進口落后的旋噴泵，也避免了旋噴泵研究單位受到進口的落后旋噴泵結構的誤導而走了彎路。

 

1991年，我公司參加工程設計勞務出口的高工帶回了美國皮托泵資料，我們對其實際產品的結構和技術數據有了進一步了解，并找到了搜索皮托泵資料的渠道。

 

通過對國外泵會議皮托泵論文和幾十項美國專利說明書的分析，認識到在小流量高揚程工況，皮托泵與高速離心泵或多級離心泵相比，優勢明顯。于是我公司在一些工程項目上逐步采用了美國Envirotech公司不同型號和規格的一批皮托泵，后來證實，該公司的皮托管泵產品處于皮托泵的世界領先水平。

 

從美國專利局網站上獲知，上世紀八十年代初期以前，世界上皮托泵專利權人主要是美國Kobe公司，七十年代末開始，美國Envirotech 公司的專利產品很快壟斷了皮托泵市場。

 

一直到去年皮托泵的專利說明書上，發明人是Envirotech Pumpsystems公司的Bryce Neilson，專利權人為Envirotech Pumpsystems, Inc.。該公司位于美國猶他州的首府著名的鹽湖城(Salt Lake City, UT) ，專注于皮托泵的研究和制造。

 

據百度網上資料介紹，德國、荷蘭STERLIN公司和日本HONDA KIKO公司的皮托泵產品，均屬于仿制Envirotech Pumpsystems公司專利已到期的產品，而新開發已進入市場的新系列產品受專利保護，尚未發現被仿制。

 

英國威爾集團公司看好該公司研制皮托泵的實力，收購了該公司以后，在鹽湖城注冊了威爾特種泵公司 (Weir Specialty Pumps，以下縮寫為WSP公司)，負責投標和簽合同等商務工作，研發、產品設計和制造仍由Envirotech Pumpsystems公司承擔。現用一項工程實例 (重慶建峰化工公司日產1500噸合成氨裝置CO2汽提塔回流泵評標) 來說明。

 

表1. 美國皮托泵與勝達因高速泵的技術經濟對比表(2007年評標技術數據)[7]

（流量27.4 m³/h，揚程411m，介質比重0.992，材料316SS）

 

注：

(1).按電費0.48元/度，年運行0.8萬小時。皮托泵年節電費：(61.3-4,7.6)KW×0.8萬小時/年×0.48元/度= 5.3萬元/年

(2).開標價為CIF上海港，已含開車備件費、兩年備件費、關稅10%、增值稅17%。

 

表1的工程實例說明：

(a) 針對上表的流量和揚程，皮托泵技術性能明顯優于高速泵。

(b) 兩臺美國皮托泵的開標價比日本高速泵的開標價低72萬人民幣。

 

表2.  皮托泵與高速泵的性能對比[7]

從表2可見，在小流量和超低比轉數時，皮托泵的效率比高速泵高得多，達到相同參數，皮托泵的轉速低得多，皮托泵不加誘導輪就能達到較低的必需汽蝕余量。

 

此外，皮托泵的最小連續流量很小，可減少泵最小流量保護回流的功率損失。但在大流量和揚程不高時，皮托泵的效率比高速泵低, 但中流量和大流量時抗汽蝕性能差，NPSHr大(表中未寫出，本文后面用性能曲線圖21來說明)。

 

 

3. 國內外皮托泵水力性能的進展情況

  

 

3-1 葉輪和集流管揚程的分配，是皮托泵水力設計的重要問題

 

葉輪、集流管和轉鼓是皮托泵的三個核心件，國內發表的旋噴泵研究論文，大多是針對一個或兩個件，旋噴泵設計條件的揚程如何正確分配到葉輪和集流管上，國內發表的論文中還少見，還有的論文和中國專利提出了在轉鼓內腔設置葉片，此觀點不可取。

 

F.Korkowski和L.Glassburn. 2005年在加拿大卡爾加里市召開的國際泵會議上，演示了”小流量高揚程泵的選擇”PPT的43/54頁面，介紹了WSP公司皮托泵工作原理圖，提出了葉輪和集流管各提供泵揚程一半的揚程分配原則。此揚程的分配原則源于美國WSP公司泵設計與研發中心主任T.L.Angle等三人在第22屆國際泵會議上發表的”一種新穎的高壓泵系統”論文的”附錄A--皮托泵的水力原理”。

 

圖3  美國WSP公司皮托泵的工作原理圖

 

3-2  葉輪的水力設計

 

“旋轉噴射泵主要過流部件設計研究”文章[3]引用傳統小流量小流量心泵的設計方法，因小流量工況下流道擴散，使流道內產生附面層分離而引起的流動失速；二次流是小流量工況下葉輪內的軸向旋渦作用比較大，使葉輪工作面、背面相對速度相差大而引起的液體倒流。

 

由于脫流和二次流，泵的水力損失增大，工作性能不穩定，揚程和效率都大大降低。因此，在葉輪流道容易產生回流和脫流的部位增設短葉片，則可改善葉輪流道內的速度分布，有效阻止附面層分離和脫流產生，圖4為長、短葉片均為后彎的S形復合葉輪。

 

此設計原則來源于1999年實測某廠進口國外旋噴泵(Q=12.5m³/h、H=250m、n=4500r/min)的葉輪(8長+ 8短葉片)。圖4~7為中國旋噴泵和美國皮托泵專利的各兩張葉輪剖面圖。

 

圖4~7 中國旋噴泵和美國皮托泵專利的各兩張葉輪剖面圖

 

從后三張葉輪剖面圖可以看出，是將傳統小流量離心泵的葉片部分改作為液體的流道，其余金屬部分作為葉片，成為出角為80~90度的幅射狀等斷面流道，完全避免了脫流和二次流，制造也更容易。

 

3-3 集流管的水力設計 

 

國內對集流管的研究論文很多，需要補充集流管各斷面的橫截面積如何擴大?如何減輕高速液流進入集流管的第一個90度轉彎處的渦流和對面的脫流、回流，以便使速度能轉化為壓力能的效率高，需要開發出先進的設計計算程序,這是提高旋噴泵效率的關鍵，也是縮小我國旋噴泵效率和WSP公司差距的核心工作。

 

蘭州理工大為四川機械設計研究院研制的一臺Q = 22 m³/h、H = 240 m的旋噴泵，泵的效率高達42％[4]。與多級離心泵和勝達因高速泵相比，效率42%的確是高水平。但是WSP公司2002年的2200-S600型產品的性能曲線圖, 相同Q和H的效率從42%提高到65％，高了23個百分點，可見我國研制的旋噴泵還有相當大的發展空間，還需努力[4]。

 

圖8  WSP公司2200-S600型皮托泵產品的性能曲線圖

 

圖9  WSP公司2200-S375型皮托泵產品的性能曲線圖

 

請注意圖8~9性能曲線圖的如下五條技術信息：

 

(1).皮托泵屬于離心泵，符合離心泵的相似定律，即流量與轉速的一次方成正比、揚程與轉速的平方成正比、軸功率與轉速的立方成正比；

 

(2).皮托泵的最小連續流量Qmin很小，最小連續流量線是斜線，轉速降低，Qmin更小；

 

(3).性能曲線圖上提供了泵最小流量保護回路上的限流孔板的直徑;

 

(4).揚程曲線有駝峰，泵的工作點應在駝峰的右邊；

 

(5).中流量和大流量時抗汽蝕性能很差，NPSHr大。

 

圖13的專利是美國制造大型壓縮機和汽輪機的知名公司Dresser (德萊賽公司)發明的，該公司可能發現了皮托泵在高揚程領域的市場前景，擬涉入此領域，但畢竟實際經驗不足，在集流管進口轉彎處加兩片分流葉片，以便消消旋渦與回流，是脫離實際的方案，因為國外皮托泵的集流管進口內徑最小6mm，最大15mm，連一片分流葉片都未加。圖14的集流管專利，同樣失誤，未能授權。

 

3-4 轉鼓的水力設計

 

轉鼓的作用：將葉輪出口的高速液流以盡量小的揚程損失引入集流管進口, 轉鼓并不能用于增加揚程，有論文和中國專利說明書采用在轉鼓內腔設置葉片的結構不可行。為減小轉鼓內腔表面的滑移損失, 轉鼓腔的內表面進行了拋光。

 

WSP公司在技術交流時講過，轉鼓底部有兩個大圓弧，這是因為葉輪出口排出的高速液體，只有部分進入集流管，大部分在轉鼓內腔中循環，具有與勝達因高速部分流泵相似的特點，轉鼓內腔的型線如何設計，對減少液體在腔內循環時的能量損失有較大關系。

 

蘭州理工大學劉宜教授等人”旋噴泵轉子腔的結構優化及數值模擬計算”文章指出：國內對旋噴泵研究多數集中于泵葉輪、集流管設計及應用方面，對轉子腔結構研究得很少[14]，這也是國內旋噴泵效率較低的主要原因之一。(建議將"轉子"改為"轉鼓"，因為"轉子"是指葉輪、轉鼓、軸、軸承等組裝在一起的轉動部件)。

 

文中的"轉子腔的外緣增加凸棱"令人費解，仔細研讀后才明白，作者是為了增加轉鼓腔外緣處的速度，集流管的頂部半徑略大于轉鼓腔的內半徑，因此在轉鼓腔的圓筒內壁開凹槽，為了不削弱轉鼓圓筒的強度，在凹槽相應位置的圓筒外壁增加凸棱，但文中和轉鼓結構圖上未交待。

 

作者未注意到，轉鼓與葉輪是用外徑大又厚的法蘭連接，即使加凹槽也不會削弱轉鼓的強度，轉鼓的外壁無需有凸棱。這是受到國內旋噴泵文章、研究生論文和專利說明書上的“旋噴泵結構簡圖”上，未表示出轉鼓與葉輪是用外徑大的厚法蘭連接的影響。

 

這張旋噴泵結構簡圖十多年不變，還存在軸承型式不能用于泵進口有壓力的工況，建議以后參照本文提供的WSP公司皮托泵實際產品的泵剖面圖，重新繪制“旋噴泵結構簡圖”。

 

圖15是參考文獻[14] CFD數值模擬所用的轉子腔的結構圖(原為圖1 )，是一個平底，與圖16.WSP公司皮托泵轉鼓零件圖相比，差異很大，WSP公司轉鼓底部有兩個大圓弧，葉輪內蓋板有有一個小圓弧，這是因為葉輪出口排出的高速液體，只有部分液體進入集流管，大部分在轉鼓內腔中循環，具有勝達因高速部分流泵的特點。

 

WSP公司在技術交流時講，轉鼓內腔的型線如何設計，對減少液體在腔內循環時的能量損失有較大關系。此結構的轉鼓如用于雙集流管，轉鼓腔的圓筒內壁不必開凹槽，否則雙集流管裝不進去。

 

CFD數值模擬技術，具有邊界參數調整方便、成本低廉、實驗周期很短等優勢，被國內外廣泛采用。采用CFD技術的科研成果要有實用價值，必須有兩個步驟：

 

其一，在利用解析方法研究復雜的流體流動問題，對物理現象進行簡化處理時，原始條件要正確，關鍵條件不可遺漏，抽象出來的簡化模型與工程實際產品不可差異較大。

 

其二，必須有實驗驗證，此實驗條件的內容應與工業實際產品的接近，如果CFD解析研究結果，僅僅用泵的性能試驗來驗證還不夠，如缺乏流場和壓力的定量分布，可能會影響其學術價值及應用效果。

 

流場信息的測量是泵、水輪機等流場研究中的一項重要內容，采用粒子圖像測速儀(PIV, Particle Image Velocimetr)，在流場中布撒示蹤粒子，應用現代激光測試技術，可以非接觸地獲得瞬間、全流場的流動信息，現已成為現代流場測試技術之一，并且得到了廣泛應用。

 

該技術對于旋噴泵轉鼓和集流管內部流場狀態、流速和壓力分布的研究極為有益。建議借鑒國內一些高校，如大連理工大學、華北水利水電學院、西南石油大學[15]已有十年左右應用經驗的這項新技術。

 

4. 國內外皮托泵在機械結構上的差距  

 

 4-1 皮托管徑向力的平衡

 

國內外現有皮托泵普遍用單集流管，并且是懸臂支承，因為從轉鼓軸線到轉鼓外緣，液體壓力與轉鼓半徑的二次方成正比分布，轉鼓內腔外圍的液體壓力最高，單集流管受到液體向下徑向力將下垂，造成葉輪軸線處內孔偏磨，內回流量加大，降低泵效率。

 

中海油惠州煉油分公司“噴射泵特點及其在加氫裂化裝置的應用”一文[16]，介紹了進口威爾公司高壓注水泵的應用情況。該泵的型號為ROH S-375S(單集流管)，文中認為沒有不平衡的徑向力，主要參數：設計流量19.8 m³/h、揚程1233 m、轉速5812 rpm、電機功率135kW。

 

該泵運行的初期振動很大，用戶又將泵的混凝土基礎加深加大，管道支撐進行了加固，振動減輕。后來幾年使用中，只要供水管道過濾器的定期清洗稍有放松，雜質在轉子內腔的壁上逐漸積聚，振動又超標，必須拆泵、清洗轉子和重裝泵，維修工作量很大。

 

2017.5.31授權的 ”一種改進容積效率的旋噴泵及改進方法” 發明專利[17]，為減少轉子腔內液體從集流管水平段穿過葉輪的間隙處的泄漏，采用迷宮密封。

 

但迷宮密封是用于氣體介質轉動機械的軸端密封，是在軸和固定件之間有若干環形截流間隙與膨脹空腔，氣體在迷宮中經多次壓縮、膨脹和旋渦的熱力學效應，使氣體的壓力降低，從而達到減少泄漏的目的，但對于體積與壓力關系很小的液體，迷宮密封的效果很有限。該專利只是被動地去堵漏，而并未認識到問題的根源：

 

一是單集流管受到了液體向下徑向力；

 

二是集流管懸臂安裝。這兩個因素造成集流管徑向投影面受到液體徑向力作用后，集流管水平段的懸臂端將下垂，造成葉輪軸線處內孔偏磨。

 

江蘇大學為解決上述問題，提出了集流管兩端支承代替懸臂安裝的解決方案，申請了”一種集流管兩端采用中心支承的旋殼泵”發明專利[17]，圖18是該發明專利申請說明書的旋殼泵剖面圖。

 

該發明解決方案的失誤是，在轉鼓軸線處的鼓底上設置了集流管導軸承，導軸承16內側腔是一個死區，液體不流動，不能帶走滑動軸承的摩擦熱，液體溫度上升，黏度大幅下降，甚至汽化，因喪失潤滑功能，導軸承干摩擦而損壞。此發明專利2013.2.20申請，2017.3.29被駁回。此發明專利也未認識到單集流管是造成葉輪中央孔單側接觸磨損的根源。

 

十多年來，國內旋噴泵文章、研究生論文和專利說明書上的“旋噴泵結構簡圖”上，集流管全部是單集流管。專利發明人和專利權人均為Envirotech Pumpsystems公司2019.5.7的美國專利采用雙集流管[9]，WSP公司最新系列皮托泵全部用雙集流管。

 

圖19  美國Envirotech Pumpsystems公司皮托泵剖面圖, US 10,280,925[9]

 

筆者仔細研究了這項皮托泵的最新美國專利，發現還存在如下缺陷：

 

（1）用雙集流管，徑向力平衡，是成功的。但集流管仍然是懸臂安裝，集流管水平段的端頭與端蓋配合長度很短(圖上用紅圓圈標出)，如有制造誤差，將降低運轉穩定性；

 

（2）為解決現有懸臂式皮托泵的轉鼓和葉輪充滿液體后重量很大，用于高壓、高轉速工況時，故障率高的問題，該專利又回到早期皮托管泵的轉子部件為雙支撐的結構，如何嚴防兩端滾動軸承進液的密封結構，該專利未涉及。

 

（3）皮托管水平段的端頭與端蓋配合處，遺漏了密封泵出口壓力的O形圈，圖上的紅圓圈處。

 

 4-2 轉鼓的軸向力，軸承型式與組合。

 

國內很多旋噴泵文章和研究生論文章認為，旋噴泵轉鼓中基本上無軸向力，因此一些旋噴泵專利說明書上泵剖面圖的軸承型式不合理，現以國內旋噴泵研制最早，市場銷售量國內領先的四川日機的一項較新的專利說明書泵剖面圖為例，提出改進建議。

 

圖20  四川日機旋噴泵剖面圖，實用新型CN 2476668 Y，2002.2.13. [19]

 

旋噴泵設計者未注意到，轉鼓所受到的軸向力高低，取決于泵的進口壓力。圖20的缺陷是，驅動端軸承為圓柱滾子軸承，不能承受軸向力，前軸承為深溝球軸承，承受充滿液體較重轉鼓的徑向力后，軸承剩余能力只能承受較小的軸向力。

 

WSP公司各種系列皮托泵的標準設計是，驅動端軸承為一對背靠背角接觸軸承，兩軸承之間有隔離環，環上有孔，將潤滑油引入外側軸承，加隔離環增加了這對軸承的支承剛度。標準設計皮托泵的最高允許進口壓力為14bar.G，WSP公司有一種獨特的軸承組合形式，見圖21。

 

圖21  WSP公司高進口壓力皮托泵驅動端用四個軸承的組合形式

 

為了承受泵的高進口壓力產生的指向驅動端的軸向力，原來的軸承座不用改，僅在軸上多裝兩個外圈的大端向驅動端的角接觸軸承，軸承外圈懸空，多裝的這兩個角接觸軸承只承受軸向力，這樣增加了承受軸向力的能力。

 

這種創新性很突出的軸承組合形式，國內外罕見，可以用在需承受高進口壓力的其它型式泵上，如石化裝置中，高進口壓力OH2型循環泵。圖上的”ROB“用于皮帶傳動，承受徑向力。

 

 

5.  發揮皮托泵在超高揚程領域上的優勢，急待解決的技術難題

 

 

5-1 中流量和大流量時的抗汽蝕性能很差

 

現以WSP公司ROH-D600型雙集流管皮托泵的性能曲線圖(圖21)為例的說明，該型號泵最高效率點的參數為：流量100 m³/h、揚程1360 m、轉速6321RPM、效率61%、NPSHr=23m；流量140 m³/h時的NPSHr高達40m。可見，皮托泵在大流量時的抗汽蝕性能很差，限制了皮托泵的使用范圍。

 

圖22  WSP公司ROH-D600型雙集流管皮托泵性能曲線圖

 

5-2 充滿液體的懸臂式轉鼓在高轉速下運行的故障率較高

 

因為皮托泵的轉鼓和葉輪充滿液體后重量很大，國內石化廠進口皮托泵，只要揚程超過1000米左右，運行時振動大，故障率高。國內有些旋噴泵的招標文件中，規定泵的轉速不得超過3000 rpm，制約了旋噴泵(皮托泵)在高揚程和超高揚程領域上優勢的發揮。

 

目前，旋噴泵(皮托泵)存在的這兩項技術難題急待解決。

 

 

6. 結束語

 

 

皮托泵在小流量超高揚程領域的優勢明顯，美國皮托泵研制者為了技術保密，幾十年來，皮托泵專利名稱不寫“旋噴泵或旋殼泵"。皮托泵的水力設計的專利也僅僅在上世紀六十年代才發現，本世紀國內外專利文獻中不再出現。限于篇幅，本文僅介紹了部分有價值的皮托泵美國專利，并為我國旋噴泵研制者提供了搜索皮托泵資料的渠道。

 

本文針對我國旋噴泵研究和制造的權威單位，在葉輪、集流管和轉鼓的水力設計以及機械設計方面還存在的缺陷，奉獻十多年來進口美國皮托泵工作中收集的資料和工程經驗，希望對我國旋噴泵的研究、產品設計和工業應用有所啟迪，以便盡快縮小與美國Envirotech泵公司還存在的很大差距。