第一节 给水泵的设计原则
在离心式水泵的设计上，最佳的水力性能设计通常与最佳的机械结构设计互相矛盾。
首先，水力设计者，在给定的流量-扬程特性的基本条件下，总是在寻求最佳的吸入性能和最高效率时优先考虑下述几点：
1．高的比转数：为了评价泵的过流部分的结构型式，人们利用比转数n，这一概念式中
n——转速，r/min；
Q——流量，m3/s；
在相同流量下，高比转数的叶轮比低比转数的效率高。从上式分析，要想提高比转数ns，一是要提高水泵的转数n钼板坯；二是要降低单个叶轮的扬程H。提高n是有限度的，受到零件材料及
增速装置等限制。在一定转速下，降低H，为了满足锅炉给水泵出口压力的要求，必须增加给水泵的级数。对径流式多级离心泵来说，一般认为最佳比转数nNBONEs是127左右（单位r/min：m3/s：m）。高于127，提高效率不明显，若低于此，则效率下降的幅度是大的。
2．小直径的泵轴：为了获得最佳的吸入性能和效率，希望液体在叶轮吸入口的流动是纯轴向的。最好是在叶轮吸入口没有轴通过，但这对多级给水泵来说是不可能的。所以希望泵轴直径愈小愈好。实验证明轴径与叶轮的外径之比不超过0.4时，对泵的效率影响不大，但较高的比值有显著的影响。
3．小的运转密封间隙：在多级泵中，转动的叶轮与静止的导叶之间的密封间隙，造成了泵体内部泄漏损失，间隙愈大损失也愈大，降低了泵的效率，这对流量低和比转数低的泵来说是个重要问题因此要求给水泵尽量减小内部动、静部件之间的密封运行间隙，使泄漏损失减至最低。 其次，机械结构设计者，总是要求给水泵在运行中是非常平衡可靠的，所以希望给水泵能达到以下要求：
1．水泵的转速愈低愈好，转速低可以使振动减小，提高可靠性。
2．泵轴要短，刚度要高，这意味着减少叶轮级数，增大轴的直径。
3．内部运转间隙大，这样可以避免摩擦和卡涩发生。
由此可见，机械结构设计的要求与水力设计要求是有矛盾的。给水泵设计中，对水力性能设计和机构可靠性设计的要求作了最佳的折衷，还考虑了快速检修或更换的要求。
第二节 给水泵结构
一、 泵体
给水泵壳体为筒形泵壳，采用锰钢20MnMo（BS970-150-M19）整体锻造。上半部焊有径向进口管和出口管（图2-1）和中间抽头管。泵壳内部各静态结合面处，都采用奥氏体不锈钢堆焊，以提高抗冲蚀性能。
在泵壳水平轴面高度处焊有四个支脚。在传动端支脚及非传动端（自由端）泵壳下与底板之间，装着横向及纵向滑销（早期泵壳有两个横销，两个纵销），以保证泵壳热膨胀的方向，保证水泵与液力偶合器中心线的一致性
这种筒形泵壳结构的优点已叙述，此处不再赘述。
图2-1 给水泵泵壳堆焊部分
在英国韦尔（WEIR）泵厂曾做过热冲击试验，即在最高设计水温和最大流量下运行时，瞬时将泵的入口热水切换为35℃的冷水。试验结果证明：没有产生永久变形和内部密封零件磨损现象。因此，本泵没有暖泵系统，节省了水资源。制造好筒形泵壳都进行过水压试验，方法是将壳体受压区分三段加压力，按每段可能产生的最高压力的1.5倍进行试验，利用专门设计的试验工具，同时进行三段水压试验。试验水温为20℃，试验维持时间至少30min，以便对筒形泵壳做彻底的检验。
二、 芯包
芯包设计成弹性筒式，使给水泵所有的过流部件及转子主要部件都可以组合为整体从自由
端拉出，不会影响水泵与液力偶合器的同心度，也不必拆除进出口管道。
整个芯包是一个组合体，包括一个完整的转子、导叶、内泵壳、入口导向器、出口端盖、机械密封和轴承座等（图2-2）。
1．转子
转子由泵轴、叶轮、平衡鼓、推力盘和半联轴器等组成。
泵轴制成阶梯状，每级轴径递减0.25mm，以方便装配叶轮。泵轴的材料为不锈钢2Cr13(BS970-420-S29)，在轴承挡表面上镀一层硬铬。在制造中，首先将泵轴锻件进行机械粗加工（留余量6mm），然后进行超声波检验，再吊挂在立式加热炉内，进行调质热处理（升温时间以直径每25mm一小时计算，加热到650℃），最后进行精加工。轴上的凹槽采取半圆形是为了减少应力集中。
叶轮共有5、6、7等个，采用的材料是沉淀硬化不锈钢ZGCr13N14(BS1504-425-C11)经精密铸造而成。为了提高第一级叶轮的气蚀寿命，在叶片入口端磨削成弧形缺口（图2-3），叶轮的吸入口直径也比其它级吸入口直径大。装在轴上的每个叶轮除了用键联接外，还设置有圆形对开卡环，用以对叶轮轴向定位。为了保证同心度，叶轮与轴径的配合分为两 部分，键槽部分为间隙配合，以减小跳动度。相邻两个叶轮之间，保持0.5mm的轴向间隙，以补偿泵轴和叶轮之间的热膨胀差。第一级叶轮具有良好抗汽蚀性能，使用寿命可达40000h（小时）。
图2-3
主给水泵转子的高度可靠性，取决于泵轴的刚度。对许多发电厂给水泵发生的故障进行分析结果表明：刚度不足的泵轴会引起各种故障，例如内部密封间隙过早出现磨损、泵轴密封的寿命缩短、泵对动态不平衡反应过敏等。这些故障往往造成给水泵组被迫停运。韦尔（WEIR）公司对多种锅炉给水泵的运行记录作了研究，编制了一张泵轴的设计图（图2-4），提出各种泵轴刚度系数K的范围，即
式中 L——轴承中心距离，mm；
W——泵转子的重力，N；
Dm——轴承之间的转动轴平均直径，mm。
设计图中清楚地列出三个部分：最下部分的泵轴刚度很高，配装这类轴的水泵，可以在汽化状态下持续运行；中间部分的泵轴适应在部分汽化状态（即湿态）下短暂运行而无损坏，例如除氧器瞬间失压而泵自动停止前的降速过程状态，这部分中，具有实用可靠的泵轴设计范围，是虚线以下的部分；最上部分是刚度不足的细长的泵轴，不具备运行可靠性。
锅炉给水泵能否可靠地运行，转子的动态平衡程度是先决条件。为获得高度的同心度必须对泵轴上所装的零件进行精密机械加工。轴上的每个部件都单独地在芯轴上平衡，精度达到：
式中 W——部件的重量，kg；
n——转子的转速，r/min。
整套组合好的转子在进行动平衡试验时，用调整平衡的方法，在特定的平面内可使整个转子的平衡状态达到130W/m(g · cm)。平衡状态的最后评价是，测量给水泵在正常运行时的实际振动水平。在运行转速下测量轴承座的振动速度，不应超过7mm/s（均方根值），相当于峰对峰的位移幅度不超过38um（图2-5）。
在水中的第一临界转速应比最高的运行转速至少高25%。FK6F32型锅炉给水泵的转子在水中的第一临界转速为8126r/min，转子的最大动挠度0.106mm，发生在第3与第4之间。
2．静止部件
静止部件（图2-2）包括：五个内泵壳、五个流道式导叶、一个入口导向器、一个末级增压导叶。六个密封环分别压装在内泵壳和入口导向器上，五个导叶套压装在导叶上。
图2-5 不同振动速度（均方根值）时振幅与转速的关系
流道式导叶是将水的速度能转换成压力能和将前一级叶轮的出水导入下一级叶轮入口的装置，每个导叶上有13个流道。导叶是被夹在相邻的内泵壳之间，用不同长度的内六角螺栓（M10）将入口导向器与五个内泵壳联接成一体。导叶与内泵壳之间的暗销能确保导叶同心地装配和定位。入口导向器、导叶和内泵壳均为不锈钢ZGCr13N14(BS1504-425 C11)精密铸造。密封环和导叶套用沉淀硬化不锈钢ZGCr14N15(BS-2S143)制造，在其密封表面上开有环形槽，以减少内部漏泄损失。各级内泵壳相互配合止口上的聚四氟乙烯圈和氟塑料“O”形圈，能保证级间的严密性。
在第二级内泵壳上钻有13个Ø12.5mm的抽头水孔，由此引出的水通过筒形泵壳上的抽头水管供给再热器和旁路系统的减温水用。
整个芯包是用传动端的张力环和螺栓紧固在筒形泵壳上，并用密封垫压靠。当运行时，领先水压的作用密封垫被压实，以防止高压水向泵入口漏泄。水泵的轴承座连接到入口导向器和出口端盖上，并以销钉定位，因而确保在任何运行条件下都能保持同心度。
为了能容易和准确地装配，以及保证芯包与筒形泵壳的互换性，芯包只在两个位置（即入口导向器和出口端盖）上定位。
在第二级内泵壳上设有两道弹性密封，其作用是防止出口高压水向抽头水室泄漏。在两道密封间钻有检查孔。
在末级导叶与出口端盖间，留有3mm的轴向间隙，以保证静止部件在热态时能向泵的出口端自由膨胀。
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平衡装置是采用平衡鼓式的（图2-2），由转动的平衡鼓和固定不动的节流衬套组成。为了减少平衡装置的泄漏量，在节流衬套的内孔开有矩形环槽。在平衡鼓与节流衬套的径向间隙中，水速很大，为了防止冲蚀，采用不锈钢1Cr17N12(BS970-431-S29)制造平衡鼓和节流衬套（景区拍照BS-2S143）。
转子的轴向力的90%由平衡鼓来平衡，余下的10%由双面推力轴承来承担。推力轴承的主要作用是使转子定位。
平衡装置的泄漏量为额定流量的3%左右。表2-1列出了转速为4798r/min时，主泵流量与平衡装置泄漏量的实测值。采用平衡装置的优点是消除了轴向动静部分的碰撞，提高了安全
性。
表2-1 主泵流量和平衡装置泄漏量的实测值（t/h）
主 菱角剥壳机泵 流 量 | 平 衡 装 置 泄 漏 量 |
122.7 | 18.26 |
253.5 | 17.30 |
356.1 | 16.70 |
471.7 | 16.60 |
592.6 | 12.80 |
637.1 | 12.45 |
715 | 12.73 |
| |
平衡鼓与节流衬套的径向间隙的设计，视水泵运行状态而确定。如要求能在汽化状态下运行，间隙就要较大些。不允许在汽化状态下运行的泵，间隙就可小些。间隙长度通常设计为0.8倍平衡鼓直径Ø1，即
滚珠滑轨 Ø1
图2-6 平衡鼓结构
由于没有像平衡盘那样会导致动静部分接触的细小轴向间隙，并采用了大容量双向推力轴承，能承受变工况下的附加推力，不易发生严重磨损甚至咬死的异常情况，这对汽动泵低速盘车尤为重要。我们还在平衡鼓衬套的端面加工了若干涡流断口，在内圆加工了浅平顶齿形槽，消除了密封间隙前液流的旋转和涡流，增加了密封间隙液层的动静力刚度和阻力，提高了转子的抗振能力，使由于采用平衡鼓而对泵效率的负面影响降至最低（见图2-6）
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