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1 概 论
1.1 研究的背景和意义
油田注水系统是油田能耗大户，也是油田投资的主要领域之一，因此开发高效注水设备，提高现有注水系统运行效率，对于降低油田生产成本具有重要意义。
早期注水是提高油田采收率的有效方法，通过人工注水可以提高地层压力，使油层具有强有力的驱油条件，保持较高的油层压力，有效克服各种阻力，达到长期稳产高产，而高压注水泵在注水工艺中起着重要的作用。
在油田开发后期采用油层注水，以保持油层压力，从而提高原油产量。随着钻井深度的增加，注水油层也不断加深。近几年来国内各大油田的部分注水单井或区块高压欠注问题日趋突出，促使人们逐渐认识到发展增压注水工艺的必要性。因此，增压注水泵的发展十分迅速，到目前为止，增压注水泵已初步形成离心式和往复式两大类。
1.2 本设计的目的
高压注水泵是油层注水过程中的必需设备，而高压注水泵一般用高压柱塞泵和高压离心泵，但是高压柱塞泵有可靠性差以及出口脉冲的缺点，同时随着石油工业的发展，油田注水量日趋增加，而且还在逐年增长中，排量小的柱塞泵已不能满足要求，所以，油田采用比较多的还是高压离心水泵。我国使用离心式注水泵的主要有大庆油田和胜利油田，在注水泵中所占比例达50%左右。目前，我国用于注水的电耗占油田全部耗电量的30%以上，而使用的离心式注水泵型号繁杂，部分效率偏低，与国际水平仍有相当差距。因此，迫切需要建立起国产离心式注水泵的系列型谱，研制出具有国际先进水平的产品，并对现有离心式注水泵进行技术改造，提高其运行效率，以满足石油工业发展的需要。
1.3 泵的发展展望及国内外现状
从目前国内外泵的发展情况和生产需求对泵技术提出的要求看，在今后一段时期内，它的主要发展展望可以概括为以下的几个方面：
(1) 注意发现和开发新领域用泵;
(2) CFD、PIV等先进技术结合实际开展试验研究; (3) 树立精品意识，重视标准化、通用化; (4) 重视关键技术和关键产品的研究与开发; 1.3.1 国外情况
泵是伴随着工业发展而发展起来的。19世纪时，国外已有了比较完整的泵的型式和品种，并得到了广泛的应用。国外泵技术水平比较高的国家有美国、日本、荷兰等。美国多为高扬程、大流量的灌溉泵，日本和荷兰的多为低扬程、大流量的排水泵。
在国外，泵的技术发展迅速，美国的HASKEL公司、德国的LEYBOLD、日本
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的NIKKISO等都生产研究出高性能的泵；在工艺设备上，国外大型泵零件的加工大多采用数控加工或专机加工，不论批量的大小，专用工装、工夹使用都较多，这样大大提高了大型泵的制造质量；在新技术的应用上，泵水力设计与绘型软件逐渐代替了人工计算和绘图，大大提高了设计的效率。 1.3.2 国内情况
我国离心泵产品图样的来源可分为联合设计﹑引进﹑自行开发等几种。 [1]联合设计产品 以沈泵所为主的研究单位，在20世纪60至80年代，组织有关泵厂进行了多种离心泵的联合设计。这些产品当时都是国内的主导产品，至今仍在生产，但是有些产品的结构（造型）﹑性能指标比较落后，应该逐步用新型产品替代。
[2]引进产品 80年代以前我国引进的泵技术很少，到改革开放初期，大量从国外引进泵技术，并随着外国泵公司以合资或独资的形式陆续进入我国，也带进了一些新的泵产品技术。引进的这些泵产品，技术比较成熟，性能比较先进，对推进我泵技术的发展起了重要作用，成为我国泵产品的主体，至今仍大量生产。其中有的产品在结构或性能方面也存在问题，应进一步改进。
[3]外国在华合资（独资）泵企业的产品 这些产品的质量大都比国内产品好，尽管价格高，但销售情况很好。
[4]自行开发产品 这些产品大部分通用化、标准化程度不高，性能也有待进一步提高。
由于引进产品和KSB等著名企业的进入，我国离心泵的生产能力显著提高。同时以CAD为主的新技术广泛应用，数控机床加工技术的不断提高，以及近年计算流体动力学（Computational FluidDynamics ）,简称CFD的问世，为离心泵的设计和制造提供了新的思路和手段。
目前，国内较先进的泵型主要有DF200-DF250型﹑DF300-DF400型等DF系列新型离心注水泵，已在大庆﹑胜利等油田推广使用。但是,各油田泵效平均水平相差较大,与国外先进水平相比还有一定差距。
调研表明，我国离心式注水泵目前仍存在泵效低﹑寿命短﹑检测手段落后和“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度差等问题。因此，必须重视关键技术和关键产品的研究与开发，树立精品意识，重视“三化”问题，推进我国离心泵技术的发展。
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2 结构方案的确定
2.1 注水泵的选择
本设计是油田用的注水泵，现今普遍采用的高压泵有两种，即离心泵和柱塞泵。 从压力来说单级离心泵无法满足本设计的要求，但可通过多级组合来实现。柱塞泵能满足这一要求，但从流量上来讲柱塞泵通过多缸组合才能满足设计要求，而离心泵采用单叶轮的流量即可。
从结构上分析，离心泵即使采用多级组合也有体积小，质量轻等优点，而柱塞泵则（多缸的话）其体积大，重量大。
从性能上来说。离心泵可采用现在较为流行的机械密封，故其泄漏小，效率较高，而柱塞泵泄漏严重，特别是在高压下，且其传动机构在高压下工作性能不大稳定。
从介质上分析，本设计疏松的介质为清水，对两种泵都较合适，但相对柱塞泵来说其泄漏要大些。当然如果输送粘度较大或杂质较多的介质（如泥浆），油田上还是多用泥浆柱塞泵。
综上分析及参阅的相关资料和指导老师的建议，本设计最终选择分段式多级离心泵为设计对象。
2.2 零部件的选择
离心泵结构型式虽然多种多样，但其工作原理基本上是相同的。
主要零部件有泵壳，叶轮，泵轴，吸入室，压出室，密封环，轴封结构，轴向力平衡机构，联轴器。本设计中的多级离心泵还有平衡管，滑动轴承，温度计等辅助装置。
在多级离心泵中，其主要零部件的结构和功能基本上相同，本设计中多级离心泵的主要零部件的具体选择如下： 2.2.1 叶轮的选择
离心泵是通过叶轮对液体做功的，叶轮的好坏将直接影响到泵的性能，所以在整个设计过程中叶轮的设计是非常重要的。
用于离心泵的叶轮的形式主要有封闭式，半开式和开式。 本设计中选用比较常见的单吸式封闭叶轮。 2.2.2 轴封结构的选择
在泵轴伸出泵体处，旋转的泵轴和固定的泵体之间有轴封机构。离心泵的轴封机构有两个作用：减少有压力的液体流出泵外和防止空气进入泵内。
离心泵中常用的轴封结构有：有骨架的橡胶密封，填料密封，机械密封和浮动环密封。
而石油机械中常见的密封有填料密封和机械密封两种。
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填料密封具有结构简单，成本低等优点，但填料密封是靠将填料紧压在密封室内，使其包紧泵轴来达到密封的，因此其摩擦及磨损都非常严重，功耗也较大，密封性能较差，寿命较短，而且需要经常拧紧压盖，更换填料，因此对于密封要求较高或密封介质压力较高时，填料密封一般情况下不宜采用。
机械密封是靠一组研配的端面而形成密封的，所以机械密封又称为端面密封。机械密封的种类很多，但其工作原理基本相同。
机械密封的特点是：将容易泄漏的轴向密封改成泄漏的静密封和端面径向接触的动密封，与填料密封相比，其主要优点是泄漏量少，一般为10ml/h，泄漏量仅为填料密封的10%；寿命长，一般可连续使用1—2年；对轴的精度及表面粗度要求相对较低；对轴的振动敏感性相对较小；而且轴不受磨损，机械密封的功耗少，约为填料密封的10%—50%；可靠性高，但其造价也高，对密封元件的制造要求及安装要求也高，因此多用于要求较为严格的场合。
根据本设计中的泵参数及上面的分析比较，并考虑其可靠性及经济性后决定，本设计采用机械密封。
其具体结构形式见装配图中泵轴两端。 2.2.3 冷却系统的选择
密封系统的冷却冲洗的目的在于使机械密封散热、降温、润滑和洗涤，以改善其工作环境，提高密封技术的应用水平和扩大其应用领域，减少故障，降低能耗，延长其使用寿命和泵的维修周期，为工厂的安全生产提供安全保证。
机械密封在运转过程中是个热源，其热源来源于动静环的摩擦热，旋转元件在密封介质中的搅拌热，辅助元件的震动及摩擦热，这些热量会使密封腔中热量升高，尤其是摩擦副端面的摩擦热会直接影响到密封件的使用性能，采用冲洗法可使密封腔中的热量随这些冲洗液而带走。
密封中冲洗的方式及选择：
机械密封的冲洗方式有很多种，常见的有以下三种：
（1）自冲洗和它冲洗。利用密封介质本身做冲洗液，由泵出口经孔到密封腔，如果介质本身不宜做冲洗液，如黏度高的介质，可选用与介质相溶的介质做冲洗液，进行它冲洗。
（2）外冲洗和内冲洗。外冲洗是在摩擦副外压下进行冲洗，其作用是对密封的泄漏进行稀释；内冲洗是在摩擦副内侧进行冲洗，其作用是带走摩擦副产生的热量及工作过程中产生的析出物防止介质结晶、沉积。
（3）循环冲洗。在密封腔的附近轴上设一个小叶轮，借助小叶轮可将腔内的介质进行循环，带走其热量，此种方式虽然结构较为复杂，但与其他方式相比较，因为循环冲洗带走的热量与机械密封在运动中产生的热量相平衡，可以有利于节省能量的损耗。
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本设计中采用的是自冲式密封，即选用介质本身做冲洗液，这种冲洗方式的特点是：
（1）密封为静止式平衡型，旋转环可用硬质材料，补偿环可用软质材料并采用满足高PV值的材料组对。
（2）选择合理的密封环几何形状和支撑点使其具有足够的截面厚度。 （3）对冷却冲洗做了周密的考虑，摩擦副被均一地冷却，抑制了密封件的热变形。
2.2.4 轴向力平衡机构的选择
泵在运转中，转子上作用着轴向力，该力将拉动转子轴向移动。双吸叶轮由两个轴向对称的叶轮构成，轴向力相互平衡，所以不存在轴向力，但是单吸叶轮不具备像双吸叶轮那样的对称性，作用在叶轮两侧的压力不等，存在着轴向力。
对于多级离心泵来说，轴向力很大，有时可高达数万牛顿，这么大的轴向力将使泵的转子与静止的部件接触，造成损害，所以在设计中必须想办法平衡掉此轴向力。
常见的用于平衡此轴向力的方式有以下几种： （1）叶轮的对称布置。
这种对称布置平衡轴向力的方法简单，但增加了外回流管，使得泵壳笨重而且级间的泄漏量增加，同时这种方法不能完全抵消轴向力，还必须装设推力轴承来平衡掉残余的轴向力。
（2）采用平衡孔的方式。
这种平衡装置方法简单可靠，并且减少了轴封压力，但增加了泄漏量，降低了泵的容积效率，同时从平衡孔中流入的流体与吸入口处的流体流向相反，彼此撞击而产生旋涡，破坏了流体速度的均一性，降低了泵的流动性能，但这种方式亦不能完全平衡此轴向力。 （3）背叶片。
这种方式是根据作用在叶轮后盖板的流体压力值随着背叶片间流体的旋转角度的增加而下降的原理提出的，常用于杂质泵。它除了能平衡轴向力外，还能阻止杂质进入轴端密封，提高轴端的使用寿命，但这种方式要消耗一定的功率，降低泵的整体效率。
（4）平衡鼓。
平衡鼓是装在末级叶轮后的一圆柱体。平衡鼓前面的压力接近于末级叶轮的排出压力，而平衡鼓后面的压力等于吸入室中的压力和平衡管中的阻力损失之和，这个压力差值就是作用在平衡鼓上的平衡力。这种平衡方式在泵起停其他运行条件发生变化时，不会发生平衡装置动静部分的磨损及咬合现象，所以其运行时安全可靠的，但由于轴向力的计算不可能完全符合实际，且泵运行时可能会发生工况变化，而平衡鼓不能调整平衡力以适应轴向力的变化，所以平衡鼓只能平衡掉轴向力的90%—95%，其
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