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船用泵,无论是用在商船上,还是用在军舰上,都可以分为以下几类:包括与船舶推进系统有关的泵、配备在发电机系统上的泵、用于船舶服务系统的泵、为船员和乘客提供旅店服务的泵和用于货物装卸和其他特殊用途的泵。

由于船用泵必须在移动的平台上工作,所以这种泵就要求能承受因船舶运动(如:纵向颠簸,起伏等)产生的动载荷。此外,这类泵还要经常在热、潮湿以及可能具有腐蚀性的环境中工作。另外,船用泵必须频繁地适用于在一定范围的流速下运行,以适应从船舶全速行驶到停泊时推进设备的各种情况。此外,尺寸尽可能小(特别是所要求的甲板空间)和质量尽可能轻,这两者也是设计船用泵应重点考虑的因素。由于这个原因,许多船上的泵都是垂直安装的(图1和图2),小型装置也常常是紧密耦合的(图3),泵的旋转部件直接连接在驱动器轴上。为了使它们能够在颠簸和摇晃的情况下还能稳定运行,立式安装泵的基础要比岸上泵的基础要打。用于制造船用离心泵的材料见表1。

接下来介绍的是船用泵的设计特色。这些信息通常是定性的;但是,由于特定的工况以船主和设计师的偏好,这些特色并不能适用于任何情况。

推进系统中的应用
蒸汽透平机推进的船舶

①给水泵
主给水泵是用来将水返回给蒸汽驱动的船舶锅炉或蒸汽发电机。在一艘典型的带有矿物燃料的锅炉的船舶上,主给水泵从给水除气箱中吸入水,再将水排入每个船舶锅炉的汽包里。大多数情况,主给水泵排出管线连接两根分开的但都通向锅炉的管线:一条是主给水管,另一条为辅助给水管。此外,给水在进入蒸汽汽包之前,通常要经过一个或多个加热器。尽管多数情况船舶上仅用一台给水泵来满足整艘船舶的给水要求,但一些船舶还是提供了多个部分负荷的并联给水泵租来完成船上的给水任务。通常船上还有多余的泵作为备用泵。

船舶上典型给水泵的类型包括单级和两级离心泵,他们通过紧密地耦合方式连接到蒸汽透平上(图4),另外还有柔性耦合到蒸汽涡轮机或电动机上的多级泵。尽管柔性耦合泵通常有铸造的、轴向剖分的窝壳(图5),但有时仍适用带有扩压器的筒式泵以及锻造的圆柱体泵壳。透平驱动的给水泵通常卧式安装,而电动机驱动的给水泵既可以是卧式又可以是立式安装。

电动机驱动的给水泵可能是具有脂润滑的外部轴承。透平驱动的给水泵内的轴承通常用油润滑,润滑油通过轴驱动转子泵循环。这种泵排出的油通常也润滑透平的轴承,也可以用在泵的调速器内。滤网、过滤器和用海水冷却的换热器经常被安装在润滑油循环系统中。在许多蒸汽透平驱动的船舶上,透平驱动的给水泵所适用的润滑由于用于主推动器润滑油系统的油具有相同的等级。

尽管许多船用给水泵都用装满填料的填料函作为轴封,用以减少从填料函的泄漏,但一些给水泵仍采用机械密封。此外,有时也使用冷凝水注入型轴封,它包括一个迷宫式固定断裂衬套,或者是轴向排列的一系列通过弹簧加载的浮环。当带有冷凝水注入型轴封的给水泵工作时,冷却用的冷凝水被注入轴封里,填充了非旋转的密封环和旋转的轴套之间的径向间隙。少量的冷凝水可能会流到泵里,其余的则向外流到收集室,通常被送回船舶的密封液冷凝器中。

在恒速运转时,由主给水泵输送到锅炉的水量通过一个自动给水控制调节阀的节流来控制。当用蒸汽来驱动给水泵时用控制阀节流调节的量通常可以通过控制供应到泵驱动设备的蒸汽量来调节,因而,泵的操作速度调节常通过一个恒压或者一个恒压差调速器来调节。
恒压调速器自动调节给水泵的工作速度,以保持在泵的排出口有一个恒定的压力。如果锅炉负荷减小,给水控制阀开始关闭,给谁的排出压力将上升,泵输送到锅炉的给水量将降低。然后恒压调速器将会按应到排出压力的上升,进而降低泵的速度,直到压力回到期望的值。由于速度降低,调节阀必须关闭以限制给水流速的量也将降低。类似的,锅炉负荷增加时,会有想法的效果。

恒压差调速器(有时指超压调速器)调节给水泵的工作转速,使泵排出压力和锅炉一侧的给水控制阀的压力之间保持一个固定的差值。由于进入锅炉的给水流量的变化首先是泵速变化的结果,给水控制阀的节流活动就可以大大降低。

为了防止给水系统出现压力过高,在主给水泵的排出口一侧通常安装一个安全阀。此外,为了防止给水泵低流量下工作,当锅炉负荷降低时,通常在泵排出管和给水除气箱之间连接一根再循环管。再循环管中通常装有一个孔板,用于限制流量和降低再循环管中的压力,使其和给水除气箱中的压力相匹配。另外,通常也在给水泵的再循环管中安装一个在高负荷操作时能够关闭的阀。

用于驱动给水泵的蒸汽透平通常具用低润滑油压力保护系统、超速保护系统和高涡轮排气压力断开装置。此外,有时使用一个吸入口低压断开装置来防止给水泵在太低的吸入压力下工作,否则就会形成气蚀、过热和泵驱动设备负荷的降低等问题。

除了主给水泵之外,一些蒸汽动力的船舶上也安装一个小功率的给水泵,以备在船舶停泊时或紧急情况下使用,在停泊时,给水经常由蒸汽直接驱动的活塞泵(图6)和电动机驱动得主赛往复泵完成,它们可以垂直安装,也可以水平安装。

由于从给水除气箱中除去的水的压力往往等于其蒸汽压力,主给水泵能得到的有效气蚀余量与给水除气箱中的水位高于给水泵的高度相等,在给水泵吸入管中产生损失较小。在给水除气箱的高度不足以提供足够的有效气蚀余量的船舶上,在给水除气箱和主给水泵之间通常要安装单独的电动机驱动的离心式增压泵。增压泵串联通常以串联形式安装,但其转速要比主给水泵小得多,它提高了进入主给水泵的给水压力,因此降低气蚀产生的可能性。

②主冷凝泵
一台典型的主冷凝泵在主冷凝器的热井中吸入液体,并通过不同的换热器,把冷凝水排放到给水除气箱中。两级或三级的立式离心泵常用在这种应用中。尽管许多泵由电动机驱动,但一些主冷凝泵仍通过减速此轮由蒸汽透平驱动。通常一台主冷凝器提供两台冷凝泵,每台泵都可满足全负荷的要求。

一台典型的两级冷凝泵在轴的顶端装有脂润滑的滚珠轴承,用于吸收轴向何径向的载荷。此外,在两个叶轮之间,通常安装了一个内部水润滑的径向滑动轴套。第一级叶轮通常安装在接近轴的下端,以增加它的浸没深度。此外,它的吸孔朝上,从而使叶轮能够实现自吸。为了便于排出可能进入泵中的空气,通常一根排气管从冷凝泵壳吸入端的一侧连接到冷凝器的上步。第二级叶轮通常安装在冷凝泵轴的上端,吸孔朝下。采用这种布置方式,可以使作用在第二段叶轮上的轴向推力与作用在第一级叶轮上的相反,从而泵轴上的止推轴承必须吸收的净轴向载荷将会降低。另外,在轴封上的冷凝水已经通过了两个叶轮,因而处于较高的压力,这就防止了空气通过轴封进入泵中。轴密封(可能由一个已填充了填料的填料函或一个机械密封组成)的有效性,通常还可以通过注入高压的从泵的排出口冷凝水到轴封处,来加以提高。

从冷凝器热井中除去的冷凝水通常处于或接近于蒸汽压力。因此,冷凝液泵所能得到的有效气蚀余量与泵第一级叶轮到冷凝器热井内水平面的高度相等,一般很少超过几英尺,而吸入管内摩擦损失也很小。为了帮助提高主冷凝泵的有效气蚀余量,通常船舶上把泵安装得尽可能低,一般还带有特殊的低气蚀余量的第一级叶轮。

如果冷凝泵通过蒸汽透平或变速电动机驱动,它的工作转速就能够随设备负荷调节,这就使得从热井中排出的冷凝水量与排入冷凝器的蒸汽量相符合。这通常是通过水位控制的方法来完成的。但是,如果使用恒速驱动设备时,通过主冷凝泵的输送的冷凝水量是气蚀来调节,也叫淹没控制。当采用淹没控制时,设备负荷的降低会导致主冷凝泵内热井水位的降低,从而引起冷凝液泵所得到的有效气蚀余量的降低。当有效气蚀余量降低到泵多要求的气蚀余量以下时,从热井中排出的冷凝水量在泵内就会通过气蚀而降低。当热井内水位继续下降时,气蚀的产生量就会增加,被排出的冷凝水量就会继续下降直到最后和进入冷凝器的蒸汽量相匹配。这种情况发生时,热水槽中的水位将在一个高度上保持稳定。在此,冷凝泵的有效气蚀余量与泵在新的排量下所要求的气蚀余量相等。为采用淹没控制操作而设计的泵需要有耐用的结构和较低的能级(每级),以防止气蚀和气蚀引起的振动所带来的损害。

为了避免在超量气蚀下工作,恒速冷凝泵输送量可以通过泵的排除控制阀来节流调节,以保持在冷凝器热井中水位的恒定。然而,当采用蒸汽喷射器来脱除冷凝器中的气体时,冷凝液在过低的流量下工作会导致冷凝器内部和后部的喷射器冷却不良。另外,低流量下工作会导致喘振,这是因为冷凝泵内部吸入口和排除口之间的再循环引起的。为了防止这种情况发生和减少对冷凝泵排除管阀的节流的需要,通常使用一条连到冷凝器的再循环管线。这一管线在冷凝管排出口处与一个三通相连,使空气喷射器和填料排液冷凝器中的液体向下流。如果热井水位下降,采用这种布置方式就可以使再循环管线中的阀打开,以自动或手动的方式,允许一部分冷凝液泵排出的水流回冷凝器中。因此,热井内的水位就能够维持在一定的位置,足以满足气蚀余量的要求。此外,因为冷凝泵总是能够在或接近额定流量下运行,所以能避免泵在低流量的工况下工作。另外,在设备起动和低负荷运转期间,能够保持冷凝水在空气喷射器(如果使用的话)冷凝器和船舶的密封排液冷凝器中充分流动。在一些情况下,冷凝水再循环管线也可能配有一个恒温控制阀,当换热器排除的冷凝水的温度超过了某一设置的值时,阀就会打开,使进入空气喷射器的冷凝器中的冷凝水流量增大。

③冷凝器排气泵
有时用电动机驱动的液环真空泵来代替蒸汽喷射器来排除主冷凝器中的气体,由于液环真空泵产生的真空受到泵壳内液体的蒸汽压力的限制,而且蒸汽压力随温度升高而升高,因此,在冷凝器排气泵将气体排除后,液体和气体就实现了分离,然后液体就必须先送到换热器内进行冷却,再返回泵内。每台主冷凝器通常都配有两台泵,每一台都能全负荷工作,使设备保持所要求的真空度。

④淡水排出、收集罐泵
一台淡水排出收集罐泵(FWDCT)(有时指排水罐抽气泵)将冷凝水(从未受污染的排水管中收集,压力大于大气压力)从淡水排出收集罐输送到给水排气罐内(DFT)。电动机驱动的单级离心泵经常使用于此。通常由两个全负荷的泵承担输送任务,用这种布置方法,管线泵通常就可以通过一个排水罐上的浮阀控制器自动起动和停机。淡水排出收集泵输送的冷凝水温度通常未200~210°F(93~99℃),接近水的沸点,所以为了增加船舶上的淡水排出收集罐泵的有效气蚀余量,需要将它们尽可能远地安装在排出罐下面。



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