轴流泵机械密封（共7篇）
轴流泵机械密封 篇1
0前言
与3套30万吨/年湿法磷酸装置配套的3台轴流泵 (设备位号P0117A/B/C) , 原设计采用填料密封, 设备运行过程中填料磨损和老化快, 更换填料频繁, 因填料漏酸造成的故障停车时有发生。轴流泵是磷酸浓缩生产的关键设备, 密封失效将影响整套装置的正常运行。
1 轴流泵使用情况及存在问题
(1) 浓缩轴流泵技术参数。HZ760型轴流泵流量7600 m3/h, 扬程5 m, 转速992 r/min, 功率280 k W。
(2) 使用情况及存在问题。填料密封式轴流泵需通以密封水进行润滑冷却及密封, 单台泵密封水进口流量1.4~1.6 m3/h, 出口流量仅为0.1~0.2 m3/h, 大量的水经轴流泵进入浓缩系统对磷酸形成稀释作用, 降低了浓缩系统的产能, 增加了蒸汽消耗。
填料密封属于接触式密封, 存在密封性差、功耗大、磨损轴套、使用寿命短等缺陷, 运行过程中一旦出现泄漏必须及时拧紧压盖螺栓, 不断加大的填料压紧力, 不但增加能耗, 而且加剧填料和轴套磨损, 缩短备件使用寿命短。如泄漏量较大, 只能停车处理, 修复重启需20 h, 降低装置开车率的同时, 泄漏也会造成磷的损失增加, 引发轴承腐蚀、环境污染等其他问题。
2 密封改造
2.1 干气密封结构
干气密封由静环、动环 (旋转环) 、副密封O形圈、静密封、弹簧和弹簧座等部件组成。静环位于弹簧座内, 用副密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使静环与固定在轴上动环 (旋转环) 配合。
2.2 干气密封工作原理
干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压相结合的非接触式机械密封。动环与静环配合表面具有很高的平面度和光洁度, 通常需要在动环表面上加工一系列的特种槽。泵运转时, 气体向内被泵送到槽的根部, 根部以外的无槽区称为密封坝, 密封坝对气体流动产生阻力作用, 增加气体膜压力。配合表面之间产生的压力, 使静环表面与动环脱离, 保持一个很小的间隙。当由气体压力和弹簧力产生的闭合压力与气体膜的开启压力相等时, 便建立了稳定的平衡间隙。
闭合力FC, 即弹簧力与气体压力之和。其中, 开启力FO通过端面之间分布的压力, 对端面的面积形成积分。平衡状态下, FC=FO;其中运行的间隙约3μm。如果受到干扰作用使密封间隙逐渐降低, 端面间的压力就会升高, 此时FC>FO, 端面之间的间隙也会有所降低, 则密封达到一种全新平衡状态。该机理装置的运行, 可在动环组件与静环组件之间形成较为稳定的气体薄膜, 在一定的动力条件下, 可实现端面之间的平衡状态, 由于彼此分离、没有接触, 不容易造成磨损, 延长部件的使用寿命。
2.3 干气密封选型
(1) 介质条件。工作介质浓磷酸, 浓度 (48±1) %P2O5, 含固量≤3.5%, 温度80~85℃, 压力0.2~0.3 MPa。
(2) 工程。现场密封气压缩空气, 压力0.4~0.6 MPa, 密封气压力大于密封腔压力0.2~0.3 MPa, 常温。
(3) 干气密封选型。根据工艺特点和介质含颗粒及介质易结垢的性质, 选定双端面干气密封, 介质侧外引冲洗水对密封进行冲洗, 密封气为压缩空气。密封结构如图1所示。
根据浓缩系统温度高、腐蚀性强的特点, 密封选择动环材料为浸金属碳石墨, 静球为Si C, 密封圈FFKM/FKM, 基体材料316L。
2.4 双端干气密封的特点
(1) 用气体阻塞替代传统的液体阻塞, 即用带压密封气替代高压密封液, 保证工艺介质实现零泄漏。
(2) 密封非接触运行, 功率消耗仅为传统双端面机械密封的5%, 密封正常使用寿命2年以上。
(3) 结构简单。干气密封阻塞气采用压缩空气, 压力大于介质压力0.2~0.3 MPa。
(4) 介质侧采用工艺水冲洗方案, 将含有固体颗粒的介质隔离开, 同时将密封热量带走, 保证密封良好的工作环境。
2.5 干气密封改造实施
干气密封为集装式密封, 装卸时无需解体, 直接将密封用联接螺栓连接在密封腔上, 叶轮定位后, 再将驱动环上紧定螺钉拧紧。安装过程应注意:
(1) 安装干气密封部位轴套的径向跳动公差≤0.02 mm, 轴向窜动量≤0.3 mm。
(2) 安装密封轴定位面端面跳动≤0.005 mm。
(3) 密封壳体与O形橡胶圈接触部位表面粗糙度Ra≤3.2μm。
(4) 安装前将轴套、密封壳体表面及所有进气孔擦拭干净, 防止颗粒杂质进行入密封部位。
(5) 在轴套密封圈上涂抹润滑脂, 便于安装。
2.6 干气密封的维护
(1) 干气密封为单向旋转, 因此一定避免反向旋转, 同时应避免在<5 m/s的低速下长时间运行, 这两种情况均有可能损坏密封端面。
(2) 确保阻塞气体的流量及压力稳定, 维持密封气源的稳定性和不间断性是干气密封正常运行的基本条件。
(3) 避免密封的负压操作, 双端面密封如出现负压, 在静压条件下会导致泄漏量的大幅增加, 而在动压条件下会导致密封端面的损坏。
(4) 随时监控密封泄漏量的变化情况, 泄漏量的变化直接反应干气密封的运行状况。引起泄漏量变化的因素很多, 如压缩空气的波动、轴窜、喘振、压力、温度和速度的变化等, 只要不持续上升, 则认为密封运行正常, 如泄漏量出现不断上升的趋势, 则预示干气密封出现故障。
(5) 过滤器压差达到报警值时应及时更换过滤器, 并更换滤芯。
(6) 机组停车时, 必须等待机组完全停止运行10 min以上才能关闭干气密封控制系统。
3 改造效益分析
(1) 使用寿命。填料密封平均1~2个月更换1次, 干气密封设计寿命为2年。
(2) 备件费用。以单台泵2年计, 填料需24 000元, 轴套半年需更换1次, 费用14000元, 故填料密封费用为38 000元。而干气密封2年更换1次, 费用为37 800元。
(3) 运行费用。填料密封年水耗费用17 520元, 蒸汽消耗 (蒸发进入介质中的水) 费用420 480元。
干气密封年成本费用18 900, 压缩空气消耗费用262.8元。成本费用核算对比, 干气密封改造后, 2年可节省资金419 000余元。
(4) 浓缩轴流泵实施干气密封改造, 降低了工序的能耗和设备维修费用, 浓缩系统的运行率由82%提高到87%, 系统产能大幅提升, 运行稳定可靠。
参考文献
[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2001.
[2]李涛子, 张秋翔.T型槽干气密封稳态特性的有限元分析[J].北京化工大学学报, 2002, (2) .
[3]成都一通密封有限公司编.干气密封使用说明书[R].2014, 8.
轴流泵机械密封 篇2
年度产品TOP50评选活动由中国农机工业协会 (CAAMM) 、中国农机学会 (CSAM) 及《农业机械》杂志社联合举办, 并于2015年7月21日在历史文化名城西安与第三届中国农机工业高端论坛同期举行。
凯斯4000系列联合收割机于东北最大的农机生产基地———哈尔滨工厂制造, 于2014年10月上市, 为中国用户提供一流的收获体验。4000系列联合收割机专为中国用户的需求量身设计, 为用户提供舒适的驾驶体验、无可比拟的谷物收获质量、优秀的作业性能及多用性的产品用途。通过更换不同割台, 凯斯4000系列联合收割机可收获多种作物:不仅适用于玉米收获, 同时在收获大豆、水稻、小麦等作物时也具备极佳的谷物质量和收获效率, 突破了传统收割机只能收获单一作物的局限。
凯斯4000系列联合收割机可装配国产高性能的2060系列谷物割台, 最大作业幅宽6.1米, 是在国内制造的最宽的刚性割台。也可以装配哈尔滨制造基地生产的5500系列玉米割台:其中最大的割台可配备行业领先的秸秆切碎器, 可在作业同时对玉米棒及茎秆进行处理。除此之外, 该系列联合收割机还可以装配3.6米的捡拾台来收获油菜、小麦等放铺作物;还可配套6米的挠性大豆割台。
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凯斯4000系列联合收割机自2014年10月上市以来, 凭借其在玉米、小麦种植地区极高的收获作业效率、优质的收获效果及极低的谷物破损率, 逐步受到东北、西北和华东等地区用户的欢迎。凯斯4088联合收割机摘得技术创新类金奖, 正是行业和用户对凯斯轴流滚筒联合收割机产品设计和性能充分肯定的体现。
立式轴流泵汽蚀破坏修复 篇3
1. 环氧树脂及其添加物修补法
首先对汽蚀部位表面进行喷砂处理除锈、除垢或用砂轮打磨进行表面除锈, 直到金属表面露出金属光泽, 根据汽蚀表面大小及深度, 采用一定量的环氧树脂按比例拌和填充物, 对其表面涂抹, 等环氧树脂完全固化后 (一般24 h) , 用靠模和砂轮机进行修整, 达到原部位的设计尺寸要求, 有条件时可上车床车削加工。工艺过程:初清洗→预加工→最后清洗及活化处理→配制修补剂→涂敷→固化→修整、清理或后加工。
(1) 初清洗。零件表面绝对不能有油脂、水、锈迹、尘土等。应先用汽油、柴油或煤油粗洗, 最后用丙酮清洗。
(2) 预加工。用细砂纸磨成一定沟槽网状, 露出基体本色。
(3) 最后清洗及活化处理。用丙酮或专门清洗剂进行。然后用喷砂、火焰或化学方法处理, 提高表面活性。
(4) 配制修补剂。环氧树脂的填合物可以用二硫化钼、氧化铝料。修补剂在使用时要严格按规定的比例将本剂 (A) 和固化剂 (B) 充分混合, 以颜色一致为好, 并在规定的时间内用完, 随用随配。
(5) 涂敷。用修补剂在先在粘修表面上薄涂一层, 反复刮擦使之与零件充分浸润, 然后均匀涂至规定尺寸, 并留出加工余量。涂敷中尽可能朝一个方向移动, 往复涂敷会将空气包裹于胶内形成气泡或气孔。
(6) 固化。用涂有脱模剂在钢板压在工作上, 一般室温固化需24 h, 加温固化 (约80℃) 需2~3 h。
(7) 修整、清理或后加工。环氧树脂及其添加物修补修复后的叶轮 (图2)
采用环氧树脂进行汽蚀修复后的轴流泵, 经过12000台时的运行, 又出现了输水流量减小、压力降低, 噪声、振动等异常情况。再一次进行解体大修, 发现汽蚀非常严重, 环氧树脂涂层已经脱离了金属表面, 叶轮室出现了深达10 mm (叶轮外壳最薄处只有30 mm厚) 、宽度在100 mm的蜂窝状圆周汽蚀带, 在叶片上出现了深度达12mm的蜂窝状汽蚀带。由此可见环氧树脂修复层极易脱落, 寿命太短。
2. 粉末火焰喷涂修复法
(1) 热喷涂原理。所谓热喷涂, 就是利用一种热源, 如电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔化或半熔化状态, 并用热源自身的动力或外加高速气流雾化, 使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理干净的基体表面, 依靠喷涂材料的物理变化和化学反应, 与基体形成结合层的工艺方法。热喷涂技术可以对材料表面性能 (如耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温隔热性等) 进行强化或再生, 起到保护作用, 并能对因磨损、腐蚀或加工超差引起的零件减小进行修补恢复。
粉末火焰喷涂的喷涂材料是粉末, 典型的粉末火焰喷涂装置由气瓶、燃气、氧气、气体流量表、空气控制器压缩空气及喷枪组成。粉末火焰喷涂原理见图3。
火焰喷涂具有很多优点, 它可以喷涂各种金属、非金属陶瓷及塑料、尼龙等材料, 应用非常广泛灵活;喷涂使用的设备轻便简单可移动, 价格低于其他喷涂设备, 经济性好, 成型美观平整, 厚度易于控制, 冲淡率小, 方法简便, 热源易得, 加工不受气候、场地的限制。
(2) 粉末火焰喷涂修复工艺。因为灰铸铁和铸钢材料与喷涂层极易融合, 涂层硬度高耐磨性好, 适宜火焰喷涂修复。在对破坏区域喷涂修补前, 首先对区域进行清理打磨, 除去污垢锈斑, 这一道工序很重要。打磨过深, 增加喷涂工作量和费用;打磨太浅, 影响涂层质量。操作过程是, 首先对叶片和叶轮外壳汽蚀部位表面进行喷砂处理或砂轮机打磨表面处理, 使其金属表面全部露出金属灰白色光泽。然后, 根据汽蚀的情况选定喷涂粉末材料, 选用的是JZGR-136F黑色氧化铬粉, 距离汽蚀部位15~20 cm近距离分层均匀喷射, 直到汽蚀部位和易发生汽蚀部位全面覆盖。冷却后用角磨机进行修整, 达到原部位的设计尺寸要求。叶轮室和叶片的尺寸精度和形状精度要求很高, 哪怕一点点的变化都能改变水的流态, 降低输水效率, 因此装配前要对修复部位进行严格的检查测量, 确保修复质量。经过粉末火焰喷涂修复的轴流泵使用后运行正常, 已经安全无故障工作超过了30 000多台时。
基于正交试验的轴流泵优化设计 篇4
轴流泵具有低扬程、大流量的特点，是一种高比转速泵型，因其结构简单和使用方便，广泛应用于国民经济各领域，如农田灌溉、市政给排水、船舶推进等方面，具有很大的应用价值和广阔的市场前景[1,2,3,4]。大量的市场需求对轴流泵的效率和运行稳定性提出了更高的要求，对轴流泵进行优化设计，进一步提高其效率成为目前亟须解决的问题。
目前，国内外对于轴流泵的优化设计采用最准确的方法是模型试验，在其优化设计过程中，需要对多个因素进行组合方案的模型试验，这将会耗费大量时间。正交试验法作为一种高效处理多因素优化设计的方法，已被广泛应用于泵的优化设计，有效解决了模型试验周期过长的问题[5]。周岭等对流道式导叶进行正交优化，利用极差分析找到影响流道式导叶性能的关键因素[6]。王秀礼等采用正交设计法对旋流泵叶轮参数进行优化设计，通过数值计算结果的极差分析，得出最优参数组合[7]。黄健勇等通过对正交试验方案的数值结果进行分析，得到了几何因素对轴流泵水力性能的影响规律[8]。但以上正交优化均是采用数值模拟或数值模拟与试验结合的方式进行的，由于数值模拟结果与试验结果存在偏差，不能完全保证模拟结果的准确性，因此本研究通过对每组正交方案进行试验测试，以保证结果准确可靠。
1 轴流泵设计方法
本文针对轴流泵的主要过流部件进行水力优化设计，包括叶轮、导叶体和喇叭管。本试验以250ZLD-3.7高效立式轴流泵为研究对象，其主要设计参数为额定流量Q=475m3/h、额定扬程H=3.73 m、额定转速n=1 440r/min、比转速ns=711、轴功率P≤7.5kW。根据上述性能参数及要求，经过计算可以得到叶轮、导叶体、喇叭管的参数。
1.1 轴流泵叶轮设计
轴流泵通过叶轮旋转对液体做功，使液体沿轴线方向流动，叶轮作为轴流泵的关键部件之一，其对轴流泵的性能有很大的影响。叶轮按照线性修正的环量分布规律进行设计，在轮毂和轮缘之间的翼型的环量修正系数按线性规律从0.9变化到1.1，加大叶片外缘侧翼型的环量，减小轮毂侧翼型的环量[9]。叶轮的主要几何参数：叶轮直径D0=214mm、轮毂比dh/D0=0.467，翼型厚度按照791翼型的变化规律设计，叶片数按照江苏大学系列模型规律选取z=4（见表1），本文中叶轮的优化设计主要针对叶片的安放角度。
1.2 轴流泵导叶体设计
轴流泵导叶体是将导叶与扩散管合为一体的部件，由于叶轮旋转使液流产生圆周速度，如果具有环量的液体直接进入出水管，这部分旋转的动能就会损失掉。导叶体设计的主要目的是为了减少液流流出叶轮出口后的速度环量，将液流的旋转运动的动能转换为压力能，并将部分轴面速度的动能利用其扩散作用也转换为压力能[10,11]。
导叶体的主要结构参数在综合考虑叶轮室和出水管的结构后，设计叶片数z=7，导叶进口边与叶轮叶片出口边平行且两者的间距为20mm，导叶体的扩散角θ=10.6°，出口安放角为β=90°，导叶体进口直径D1=214.5mm，出口直径为D2=248mm。导叶体的优化设计主要针对导流锥。
1.3 轴流泵喇叭管设计
喇叭管即进水流道，它的主要作用是将池中的液体直接引向叶轮进口处，防止吸水管进水口尖锐边缘造成的水流分离，从而达到减少进水口的水力损失的目的，所以在设计喇叭管时，应保证液体流入叶轮时的速度尽可能均匀分布[12]。因此轴流泵的喇叭管轮廓线呈圆弧形，考虑到喇叭管与轮缘间隙过大会造成较大的泄漏损失，设计内径为D3=214.5mm，喇叭管的优化设计主要针对进口直径及高度进行参数的调整。
2 正交试验设计方案
正交试验设计的分析过程包括5个基本步骤：确定试验因素及每个因素的水平数、设计合适的正交表、列出试验方案及试验结果、对正交试验设计结果进行极差分析及回归分析、确定最优或较优因素水平组合。本文对于轴流泵水力性能优化，引入3个影响因素：叶轮、导叶、喇叭管，每个因素均取2个水平，根据正交法原则选取3因素2水平进行计算因素水平表，因素水平表如表2所示。
其中A1代表叶片角度ψ=0°的叶轮，A2代表叶片角度ψ=-2°的叶轮，如图1所示；B1代表未加导流锥的导叶体，B2代表加导流锥的导叶体，如图2所示；C1代表进口直径与叶轮直径比值为DL/D0=1.59、高度HL/D0=0.70的喇叭管，C2代表进口直径与叶轮直径比值为DL/D0=1.56、高度HL/D0=0.82的喇叭管，如图3所示。
本试验的总自由度fT=f叶轮+f导叶体+f喇叭管=1+1+1=3，要求试验次数N≥1+fT=1+3=4，故本试验可选用L4(23）正交表，确定试验方案如表3所示。
本试验的目的是提高轴流泵效率，使其满足GB/T 9481-2006《中小型轴流泵形式与基本参数》的效率要求，所以对轴流泵性能评价主要以效率为指标。
3 正交试验及结果分析
3.1 试验装置
轴流泵性能试验是在具有B级精度智能化的水泵开式试验台上进行的，通过电脑自动采集、处理、分析试验数据，保证了试验的正确性、可靠性。性能试验按照轴流泵模型试验标准GB/T 3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》执行。试验从阀门全开状态开始，从大流量到小流量依次测量若干个工况点，试验装置如图4所示，主要由模型泵、测压管段、涡轮流量计和出口调节阀等组成。泵扬程由测压孔连接的出口压力传感器测量，泵转速由安装在电机上的转速仪测量，流量由涡轮流量计测量，并由采集系统输送到计算机进行数据记录与处理。
3.2 试验性能曲线分析
分别对每组试验方案进行测试，得到试验方案1～4的额定流量点的扬程、效率数据，如表4所示。
通过试验测得流量从300m3/h到最大流量点的性能曲线如图5所示。由图5可以得出：
(1）试验方案1的最大流量为501.55m3/h，流量～扬程曲线呈下降趋势，在额定流量点扬程比设计值3.73 m偏低23.06%（此处的数据是相对值的比较，下同），流量～效率曲线在最高效率点后出现陡降，且高效区较窄；在额定流量点效率比规定值77.9%偏低1.42%，轴功率曲线随流量变化逐渐降低，在运行区间未超功率，综合分析方案1性能曲线可知，方案1未达到设计要求。
(2）试验方案2的最大流量为552.13m3/h，流量～扬程曲线有明显的驼峰，表明方案2的流量～扬程曲线整体偏向大流量，在额定流量点扬程高于设计值6.16%，流量～效率曲线高效区较宽，在465～525m3/h流量区间均为轴流泵的运行高效区；在额定流量点效率比规定值高出5.07%，轴功率曲线随流量逐渐增加呈现先增大后降低的趋势，这是由于当流量增加到驼峰附近时，流体进入叶片的冲角增大，导致叶片末端发生脱流现象，阻力增大，使轴功率升高，在运行区间未超功率，综合分析方案2性能曲线可知，方案2性能满足设计要求。
(3）试验方案3的最大流量为511.48m3/h，流量～扬程曲线变化与方案1规律相同，呈下降趋势，在额定流量点扬程比设计值偏低21.18%，流量～效率曲线高效区较窄；在额定流量点效率高于规定值2.41%，轴功率曲线随流量增大逐渐降低，在运行区内未超功率，综合分析方案3的性能曲线可知，方案3未达到设计要求。
(4）试验方案4的最大流量为523.35m3/h，流量～扬程曲线随流量增大呈近似线性规律下降，在额定流量点扬程比设计值偏低11.26%，流量～效率曲线高效区较宽；在额定流量点效率高于规定值3.62%，轴功率曲线随流量变化逐渐降低，在运行区内未超功率，综合分析方案4的性能曲线可知，方案4未达到设计要求。
通过综合比较，试验方案1～4的性能从优到劣排序为：方案2、方案4、方案3、方案1。造成这种轴流泵性能差异主要有以下几个原因。
(1）带有导流锥的导叶体可以减少轴流泵的能量损失、改善泵内的流动状态。方案2和4的性能优于方案1和3，表明带有导流锥的导叶体可以显著减少轴流泵的能量损失，这是由于当液流流过不带导流锥的导叶体时，在导叶体后侧发生边界层分离现象，产生涡流，堵塞导叶体出口流道，液流流态紊乱，造成能量损失，从而降低泵的效率，而带有导流锥的导叶体降低了边界层分离程度，避免了流体在导叶体后侧流道形成涡流；当模型泵的导叶体无导流锥时，泵的效率低于有导流锥的模型泵，相应的最优工况点的流量减小，有导流锥的模型泵最高效率点偏向于大流量，无导流锥的模型泵最高效率点偏向于小流量。
(2）叶片角度ψ=0°的叶轮相比ψ=-2°的叶轮流量偏大[13]。从图5可以看出，试验方案2在330m3/h时已经出现驼峰，而试验方案1在测量区间未出现驼峰且流量偏小，这主要是由于方案1的喇叭管、导叶体与叶轮配合性能较差，在大流量时，导叶出口出现边界层分离，涡流严重堵塞出口段流道，使流量偏小。
(3）适当减小喇叭管进口直径、增加高度可以提高轴流泵的水力性能。对比试验方案1和3、方案2和4，可以发现装有DL/D0=1.56、HL/D0=0.82的喇叭管的方案性能优于装有DL/D0=1.59、HL/D0=0.70的喇叭管的方案，这是因为适当减小喇叭管进口直径增加高度，使喇叭管外形不会过于扁平，这样液流进口速度分布更加均匀，有利于提高轴流泵效率。
3.3 试验结果极差分析
各正交试验方案在最高效率点的数据如表5所示。
由表5可以得出：1、3号轴流泵的最高效率点偏向小流量工况，2号轴流泵的最高效率点偏向大流量工况，4号的最高效率点与设计点吻合性较好，但最高效率点的扬程与设计点扬程相差较大。
表6为对最高效率点流量、扬程及效率的极差分析表。在决定各因素选取何种水平时，可以比较各指标K1、K2的大小，在本试验中，最高效率点的流量、扬程和效率指标越高，表明轴流泵性能越好，所以最优组合应选取各因素最大的水平组合。
根据极差大小，可以判断出各因素对最高效率点流量影响的主次顺序依次为：导叶体、喇叭管、叶轮，根据指标值的大小，得到对叶轮、导叶体、喇叭管分别取A1、B2、C2水平，是最高效率点流量的最优方案；对最高效率点扬程影响的主次顺序依次为叶轮、喇叭管、导叶体，根据指标值的大小，得到对叶轮、导叶体、喇叭管分别取A1、B2、C1水平，是最高效率点扬程的最优方案；对最高效率点效率影响的主次顺序依次为导叶体、喇叭管、叶轮，根据指标值的大小，得到对叶轮、导叶体、喇叭管分别取A1、B2、C2水平，是最高效率点效率的最优方案。通过对各指标的最优条件综合比较，得到使轴流泵水力性能指标最优的参数组合是：叶片角度ψ=0°的叶轮、加导流锥的导叶体、进口直径与叶轮直径比值为DL/D0=1.56、高度HL/D0=0.82的喇叭管。
4 结论
本文采用正交试验法用部分试验来代替全面试验，在减少试验次数的同时，保证快速得到最优组合方案，大大缩短了试验周期。通过正交试验设计法进行轴流泵的优化，得到了以下结论。
(1）在本试验中对轴流泵最高效率点流量影响的主次顺序依次为：导叶体、喇叭管、叶轮；对扬程影响的主次顺序依次为叶轮、喇叭管、导叶体；对效率影响的主次因素依次为导叶体、喇叭管、叶轮。
(2）通过对试验结果极差分析得到了最优组合是：叶片角度ψ=0°的叶轮、加导流锥的导叶体、进口直径与叶轮直径比值为DL/D0=1.56、高度HL/D0=0.82的喇叭管。
(3）轴流泵的叶轮、导叶体和喇叭管之间存在一个最佳配合问题，在设计轴流泵时，应综合考虑三者之间的联系，它们匹配结果的好坏将直接影响轴流泵效率的高低。
摘要：对轴流泵进行正交试验法优化设计,为了研究叶轮、导叶、喇叭管对轴流泵性能的影响,设计了一个三因素二水平的正交方案。对每个方案进行试验测试,通过分析每个试验方案的性能曲线图,得到了对于各个性能的最优方案,对各个方案的试验数据进行极差分析,得到了轴流泵叶轮、导叶、喇叭管影响性能的主次顺序。通过分析与比较得出最优参数组合,即叶片角度ψ=0°的叶轮,加导流锥的导叶体,进口直径与叶轮直径比值为DL/D0=1.56、高度HL/D0=0.82的喇叭管。试验结果表明,最优组合方案在额定流量点扬程高于设计值6.16%,效率比规定值高出5.07%,轴流泵的高效区较宽,性能达到设计要求。
轴流泵叶片的数控加工技术分析 篇5
关键词：轴流泵叶片,数控加工,技术要求,处理工艺
随着社会经济的快速发展, 特别是科技水平的进步, 数控加工技术发展迅速, 已渗透到各个领域。在制造业中, 轴流泵叶片采用数控加工技术, 不仅提升了产品加工的效率, 还有效保证了叶片的质量, 为轴流泵各项性能指标的提升做出了巨大的贡献。
1 轴流泵叶片数控加工技术概述
立式轴流泵属于叶片式泵, 具有高比转数、效率高、使用方便、扬程低、流量大、性能可调节、占地面积小等优点, 并且能够适用于低水位。因此, 这种水泵广泛应用于城市给排水、农业排灌等工程中。轴流泵叶片装在叶轮上, 根据叶片可调性能将轴流泵分为固定式轴流泵以及可调节轴流泵。固定式轴流泵性能参数在叶轮运行过程中不能够调节, 只有在叶片停止运行后, 才能进行叶片的调节, 具体实施为将叶片拆下, 并进行安放角度的调节。可调节轴流泵通过机械或液压调节机制, 能够在水泵运行中通过电动、手动等方式实现调节, 无需停机拆除, 方便快捷, 适用性强。
叶片是轴流泵最重要的部件, 对轴流泵整体的气浊性能、能量指标、水压、运行震动等性能指标具有直接的影响。对叶片的数控加工, 要确保叶片各方面性能可以满足设计要求。
2 轴流泵叶片数控加工技术要求及处理工艺
2.1 叶片加工材料
一般来说, 轴流泵叶片制造材料选用ZGOCr13Ni4Mo材料。这种材料具有可焊性强、硬度高、抗气浊性强、耐磨等优点, 是水泵、水轮机等制造业中常用的材料类型。该材料的各项化学成分如表1所示。
2.2 数控加工技术要求
轴流泵制造项目招标文件中, 对叶片数控加工的技术要求主要体现在以下几个方面: (1) 叶片型线最大偏差应该控制在叶轮直径的0.15%以下。 (2) 对叶片正面与背面的波浪度要求为, 波浪度小于0.02, 叶片进出水口容易出现气浊现象的部位, 波浪度需要控制在0.01。 (3) 叶片安放角度偏差需要控制在15°。 (4) 叶片表面粗糙程度应该满足设计要求, 需要控制在Ra6.3以下, 采用数控机床五轴联动模式实施加工。
2.3 处理工艺
传统的轴流泵叶片加工方式主要是表面手工打磨, 而现阶段主要的叶片加工方式为数控机床加工, 在数控机床系统中配置了COM/CAD/CAE软件, 能够按照设计要求进行叶片曲面流线设计, 进行仿形加工, 与手工打磨工艺相比, 数控加工方式在加工流程方面有一定的变化, 增加了数控加工流程以及叶片表面坐标检测等流程。采用数控机床加工叶片工艺流程为:叶片树溶处理→叶片随形磨、打磨→按照叶片坐标、投影检测坐标, 划出中心孔位置线及零度位置线→钻两端中心孔→粗加工叶片柄部→叶片坐标检测、记录→探伤检查→精加工叶片柄部→钻定位孔或铣→叶片坐标检测、记录→叶片表面数控加工→叶片称重分组及转子体装配→加工叶片外球形→校静平衡。
其中, 与传统的叶片加工方式不同, 数控机床叶片加工精度更加明显, 效果也更加显著。虽然在小批量轴流泵叶片加工中, 采用数控机床加工方式会增加成本费用, 但是能够确保叶片质量, 确保叶片型线、表面粗糙度、重量等具有高度的精确值, 满足设计要求, 能够提升轴流泵的运行性能。
3 轴流泵叶片的数控加工
轴流泵叶片数控加工工艺能够提升加工效率, 提高加工的精度, 与常规的叶片精加工工艺相比, 具有很大的优势。传统手工打磨方式, 虽然在一定程度上降低了加工的成本, 并且加工工艺简单, 但是很难保证叶片的精度。手工打磨主要是依靠木模精度来控制叶片精度的, 而木模容易发生变形, 最大的变形甚至达到12毫米。采用传统的加工工艺, 叶片的精度靠测量精度以及操作控制来实现, 存在一定的误差性。在叶片曲面加工的过程中, 传统的加工机床采用低速铣床, 叶片的型线很难控制, 特别是叶片较薄的位置, 铣床在切削力作用下, 会产生很大的振动, 影响精度控制, 并且容易形成加工死角, 不能满足客户加工的具体要求。因此现阶段这种手工打磨加工工艺逐渐被淘汰, 数控机床叶片加工工艺成为这一领域发展的必然趋势。
在利用数控机床加工轴流泵叶片的过程中, 中心孔位置线划线是加工的关键。中心线主要是两端中心孔的连线, 需要与叶片设计转动中心线相吻合。按照具体设计要求尺寸建立一个立体的靠模, 多由多块样板构成, 每一块样板模型工作面必须符合设计截面尺寸要求, 然后通过切割机机床沿中心线进行切割加工, 将靠板组装起来, 形成立体的靠模。
对于叶片工作面的加工, 可以先加工好一面, 然后翻面安装, 最后对另一面进行加工, 利用多个轴联动的方式加工。这种联动加工方式能够增加叶片两端的辅助支撑, 提高叶片安装的刚性, 保证安装质量, 避免行刀过程中的振动影响其表面粗糙度的要求。
在轴流泵叶片数控加工过程中, 加工的方式多种多样, 加工速度、操作工艺等形式多样, 可快可慢, 并且切割刀位变化轨迹较为灵活。为了能够提高数控加工叶片的经济效益, 需要根据客户的具体加工质量要求, 选择最佳的数控加工程序与方式。现阶段, 最常见的数控加工形式, 是在数控机床上设置CAD软件, 利用软件进行三维设计, 然后利用CAM软件对加工方式进行灵活设计, 并计算加工的各项参数, 选择刀具等, 并对刀具轨迹进行编辑、校核、优化以及模拟仿真, 获取最佳的行刀轨迹, 并通过处理程序将其生成叶片加工程序。最后通过具体的加工程序, 利用计算机实现数控加工。
4 结束语
随着科学技术的发展, 信息技术、计算机技术等都得到了长足的发展, 制造行业也取得了巨大的进步, 从传统的手工工艺发展成为机械制造模式, 并逐渐融入了信息技术、数字化技术等。数控制造技术迅速的发展起来, 改变了传统的制造加工模式, 提高了效率与质量。其中轴流泵叶片的加工, 利用数控机床进行, 大大提升了叶片加工的精度, 满足了轴流泵叶片各项指标的技术要求, 取得了显著的成果, 值得大力推广应用。
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对称翼型导叶的轴流泵数值模拟 篇6
该研究采用NACA0006翼型的轴流泵,基于雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,运用SIMPLC算法,基于CFX软件对轴流泵叶轮内流场进行数值计算,并将计算数值与流场测量实验数值进行对比,总结出导叶采用NACA0006翼型的轴流泵高效的流动参数特征和性能特征,为进一步改变轴流泵导叶形状从而提高轴流泵水力设计水平提供借鉴。
1 水力模型设计
1.1 轴流泵的几何模型
传统的轴流泵水力设计常用方法有升力法和圆弧法[5]。升力法是最早用来设计轴流泵叶轮叶片的方法,目前仍然广泛采用。升力法设计叶片的假定是叶轮叶片数很少,在叶轮叶片栅中的液体绕流接近于单个机翼的绕流,因而叶轮叶片栅中翼型相互作用对绕流特性影响不大,因此该研究采用升力法设计轴流泵的叶轮叶片和导叶叶片。
轴流泵叶轮模型的设计由4个叶片构成,叶轮叶片选用NACA4410 翼型,导叶叶片选用NACA0006翼型。该轴流泵的设计参数为:转速为1 450r·s-1,流量为0.3m3·s-1,扬程为4.15m,叶轮直径为300 mm,轮毂直径为140 mm,导叶数为6。设计的三维轴流泵模型见图1。
1.2 NACA0006翼型坐标的确定
对于高转速大流量轴流泵,普遍应用NA-CA4 位数字翼型。轴流泵叶片厚度的改变直接影响泵的效率和扬程[6]。因此选择NACA0006翼型做为轴流泵导叶的翼型进行研究。
NACA0006翼型坐标的确定与CLARKY翼型、LS翼型和葛廷根翼型等不同,4 位数翼型最大厚度一般在离前缘的30%弦长处,已取得实验数据的有相对厚度为6%、8%、9%、10%、12%、15%、18%、21%及24%的翼型,为了提高泵的效率,目前在泵中翼型相对厚度t珋的选择一般采用0.05~0.12中等厚度的翼型。
式中,y珔、t珋、x珚和r珔分别为上下翼面相对坐标、相对厚度、弦长的等分点坐标和相对前缘半径。
通过将数据代入(1)、(2),可计算出NA-CA0006翼型坐标数据,其坐标值见表1。
2 轴流泵数值模拟方法
2.1 数学模型
轴流泵内部为湍流粘性流动,遵守质量守恒及动量守恒定律,满足质量连续性方程及粘性流体运动方程。CFD分析选用FLUENT软件提供的压力修正方法进行求解,在计算中设流体为不可压缩,流动中无热量交换。则连续性方程可简化为
由于轴流泵内流场为非定常流,湍流模型选取为RNG k-ε 模型。其模型的湍动能输运方程为:
ε湍流动能耗散率输运方程为:
式中,ak、aε分别表示k方程和ε方程的湍流Prandtl数;Gk代表由平均速度梯度引起的湍动能生成项。
2.2 几何模型的建立及网格划分
根据已计算出的NACA0006翼型的坐标数据和轴流泵几何参数,利用Pro/E和gambit软件绘制出轴流泵三维几何模型,通过对轴流泵的三维几何模型对整个流场进行三维定常流动数值计算,准确的研究轴流泵内部流场的情况。三维轴流泵模型的计算区域包括进水直管、叶轮、导叶和出水直管,采用多重参考坐标系方法进行求解。考虑到计算区域几何形状的复杂性,采用了适应性较强的非结构化四面体网格[8-9]。在对轴流泵的水力模型进行测量实验时,该模型的轮缘与泵体之间间隙为0.15~0.25 mm,由于间隙较小,对轴流泵泵水力性能影响不大,应用Fluent软件对该模型进行模拟时,数值计算得到简化,在轴流泵三维几何模型中设定轮缘与泵体之间的间隙为0mm。轴流泵的入口边界条件采用速度进口,出口条件为计算域的出口界面上假定流动为充分发展的流动,即出口速度分布的法向导数为零。固壁面采用无滑移壁面边界条件,近壁区域采用标准壁面函数[10]。 叶轮和导叶表面计算网格见图2。
3 轴流泵数值计算与结果分析
3.1 CFD计算与性能实验结果的对比
对轴流泵模型性能与CFD计算得到的性能曲线进行比较。由图3可知,CFD计算得到的流量-扬程曲线和流量-效率曲线都符合轴流泵性能曲线的分布,并且与实验值较吻合,在轴流泵进口流量相同条件下的CFD计算结果与实验数据最大误差小于5%,在接受的范围之内,由此表明,CFD计算方法具有一定的正确性和可行性。此外,在CFD计算中没有考虑因粘性、阻力和机械造成损失,所以数值计算结果比实验结果偏大。
3.2 CFD计算结果分析
选取Q1=0.28m3·s-1(Q1=280L·s-1),Q2=0.3m3·s-1(Q2=300L·s-1,最佳工况)和Q3=0.32m3·s-1(Q3=320L·s-1)3个工况点,根据叶轮叶片表面的速度和压力分布来研究流量工况对轴流泵性能的影响。
从图4中可以看出,在3个工况下无论是叶轮叶片的工作面还是背面,相对速度基本上按照圆柱面分布;随着轴流泵的进口流量的减少,叶轮叶片背面相对流动相对速度从靠近轮毂处的出口附近逐渐减小,并开始有分离征兆。
由图5可以看出,在3个不同工况下,叶轮叶片表面上的共同点是叶轮叶片表面压力的由进口边到出口边逐渐增大,较高压力点都出现在叶轮叶片出口边靠近轮缘的区域,然而在叶轮叶片表面的最高压力点则出现在叶片进口边靠近轮缘的区域,出现该种现象的原因是由于来流对叶轮叶片的冲击造成的,叶片工作面在靠近进口边的区域形成一个高压区,而在叶片背面会产生低压区,而该低压区随着轴流泵进口流量的增加,该低压区的位置由进口边逐渐向叶片中部移动。
4 结论
基于雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,运用SIMPLC算法对导叶选用NACA0006翼型轴流泵叶轮内流场进行数值模拟。从而验证了导叶采用NACA0006翼型轴流泵设计的合理性,同时说明采用此翼型可以取得采用其它翼型作为轴流泵导叶叶片的性能,并取得更高的效率。在最优工况点附近,叶轮叶片工作面相对速度分布均匀,且叶轮叶片做功能力沿径向增加。通过验证表明研究中数值模拟的正确性和可行性。
综上所述,采用对称翼型轴流泵具有适用性和高效性,能够满足农业灌溉中对轴流泵性能的要求,因此,对于轴流泵的特性研究具有极为重要的意义。
摘要：针对农业灌溉中对轴流泵性能的要求,为了更深入的研究该轴流泵的性能特性,研究了NACA0006对称翼型导叶的轴流泵性能,利用计算流体动力学软件Fluent,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法对该轴流泵进行数值模拟。通过对其进行数值计算和对比分析表明,设计工况下的数据值不仅与Fluent软件模拟的数据值相对误差为1.9%,并且应用Fluent软件模拟计算得到泵的性能曲线与性能实验的结果吻合较好,证明了在轴流泵导叶设计中,NACA0006翼型不仅结构简单、适用性良好,而且取得了更高的效率。
轴流泵机械密封 篇7
式中Cu、Cz和r分别表示绝对速度的周向分量、轴向分量及半径,Γ为环量,该设计即等环量设计。由速度三角形可知,随半径r增加,周向分速Cu线性下降。在轴向分速不变的条件下,导致从叶根到叶顶气流角变化大。为保证中径及以上叶高处的气流冲角处于合理范围的条件下,叶根部分的气流冲角必然偏大,使得轴流泵偏离设计工况后,效率下降较快。因而,设计者也常采用变环量规律Curα=Γ(α为变环量指数)进行轴流泵叶片扭曲设计。芮胜军等人[6]先后就变环量指数α对叶轮气动性能的影响进行了研究,他们发现变环量指数α存在最佳值,该最佳值的大小与流量、压力、轮毂比及叶轮外径有关。除此之外,等环量修正法[5]也是轴流泵叶片扭曲规律设计方法之一。等环量修正中,通常会减小轮毂处的环量,同时增大轮缘处的环量[7],该方法同样可改善等环量设计导致的叶片扭曲度过大而引起的高效区窄的问题。不过,目前关于等环量修正法以及修正因子对叶轮气动性能的影响的研究报道较少。
本文利用等环量修正法对某轴流泵叶轮进行设计,然后基于计算流体力学方法对具有不同修正因子分布的轴流泵叶轮的性能和流场分布进行分析,重点研究叶根侧的等环量修正因子对叶轮内流动及叶轮效率的影响。
1 等环量修正设计
1.1 等环量修正法
等环量修正法可表示为
式(1)中ξ为等环量修正因子;C2u表示叶轮出口绝对速度的周向分量。可见,等环量修正法通过调整修正因子ξ沿径向的分布,控制C2u随半径的变化速率。设轴流泵叶轮进口无预旋,流体不可压。由能量方程知经过叶轮后流体的总压升Δp为
式(2)中p1、p2分别为叶轮进出口的静压,C1、C2为进出口绝对速度,下标u、z分别表示周向与轴向速度分量。根据欧拉方程,叶轮的总压升又可表示为
式(3)中u为圆周速度,等于叶轮旋转角速度ω与半径r的乘积。将式(3)代入式(2),有:
设进口流场呈均匀分布,对式(4)沿径向求导得:
由简单径向平衡方程可知:
将式(6)代入式(5)得:
由式(1)得C2u=Γξr-1,将其代入式(7)
对式(8)积分得:
由此可见,进行等环量修正后,出口轴向速度不再沿叶高呈常数分布,与修正因子沿叶高的分布有关。一般希望减小叶根侧出口轴向速度,增加叶顶侧出口轴向速度,且出口轴向速度沿叶高变化不能过于剧烈。所以如何选择等环量修正因子的分布十分重要。
1.2 修正因子的选取
轴流泵叶轮轮缘半径R2=126.5 mm、轮毂半径R1=66.67 mm,叶顶间隙δ0=1.5 mm,叶片数Z=4,额定转速n=960 r/min、额定流量Qs=300 m3/h。为研究叶根侧等环量修正因子对轴流泵水力性能的影响,利用等环量修正法设计了4种叶轮,修正因子沿叶高的变化如表1所示。为叙述方便,分别称为模型A、B、C和D,四种叶轮的主要区别在于叶根侧环量修正因子不同,叶片扭转角也不同。
2 数值模型及边界条件
轴流泵内部流动为不可压湍流,控制方程为不可压雷诺时均N-S方程组[8]。
式(10)中t、xi分别表示时间与空间坐标;ui为时均速度的分量;下标i,j表示坐标方向;ρ、p和μ分别表示流体密度、时均压强和动力黏度。为湍流脉动相关的项,即所谓的雷诺应力,根据涡黏性假设雷诺应力方程可表示为
式(11)中μt为湍流黏度,δij是克罗内克符号,k表示湍动能。为使方程组封闭,计算中采用了RNG k-ε湍流模型。
轴流泵进口给定质量流量,出口给定自由出流,壁面采用无滑移边界条件。为了考虑转子的运动,采用MRF坐标系进行计算。
3 计算结果及分析
3.1 计算域及网格
图1为轴流泵模型的计算域示意图,主要由叶轮、间隙和进出口延长段组成。为了简化几何模型,忽略了轴面几何细节,将叶轮进出口管段分别延长了6倍管径。叶轮域为旋转域,其他子域为静止域。计算域采用结构网格进行离散,总数约218万,其中叶轮区域116万,进出口延长段网格分别为51万左右,图2给出叶轮域轴向网格视图。
3.2 计算结果及分析
图3(a)与(b)分别给出模型A、B、C和D四种轴流泵叶轮的扬程与效率分布,其中横坐标为计算流量与额定流量的比值。从图中可以看出,四种叶轮的扬程均随流量增加而减小。从模型A至模型D,扬程下降速率依次增加,表明叶根侧等环量修正因子越小,扬程下降越快。在额定工况下,模型A、B、C和D的扬程分别为1.83 m、1.67 m、1.33 m、0.44 m。
从效率分布看,随着叶根侧等环量修正因子的降低,模型B和C叶轮的效率在低于设计流量的范围内均有不同程度的提高,但D型叶轮在0.7Qs工况后效率急剧下降,失去了实际使用价值。因此,通过适当降低叶根侧等环量修正因子,不仅可以提高轴流泵叶轮在小流量工况下的效率,还可增大轴流泵高效区范围。当然,修正因子也存在一个合理调控范围,不宜过小,一般叶根处的等环量修正因子在0.3~0.55内比较适宜。
为了更加深入理解叶根侧等环量修正因子与轴流泵内的流场关系,在距叶片前缘5 mm处的一个栅距范围内,均匀布置5个测点,如图4所示。通过将5个测点的切向速度和轴向速度平均,计算进口气流冲角。
图5和图6分别给出了四种叶轮模型在不同工况下进口冲角沿叶高的分布。其中横坐标为冲角i,纵坐标为叶高。从图5看出,在0.6Qs工况下,模型A、B、C和D在叶根处叶轮的冲角分别为43.28°、23.38°、16.02°和8.43°,可见A型和B型叶轮在叶根区存在很大的正冲角,造成流动分离加剧,因而使得0.6Qs工况下A型叶轮的效率最低,B型叶轮次之。在1.0Qs工况下(如图6),模型A、B、C和D叶轮在叶根处的冲角分别为13.71°、6.94°、0.85°和-1.16°。可见,D型叶轮的在叶根处的冲角变为负冲角,加之流量增大导致摩擦损失增大,故而使得D型泵效率在大流量下急剧下降。
图7和图8分别给出了模型B和D两个叶轮在0.6Qs流量下叶栅通道内的截面流线图。从图中可以看出,B型叶轮相比D型叶轮,叶片叶根尾缘处的泵内通道涡更贴近叶片,使得叶片附近流场恶劣,故而再次证实在小流量下B型叶轮冲角过大引起水泵效率下降的原因,减小叶根等环量修正因子,可以减小叶根冲角,改善轴流泵流场环境,提高小流量下轴流泵的效率。
图9和图10分别给出了1.0Qs工况下模型B和D叶轮的叶片流道截面流线图。B型叶轮与D型叶轮相比较可以看出,由于D型叶轮在叶根处产生负冲角导致叶根处叶盆出现流动分离,加剧产生叶片出口处的通道涡,使之流动状况恶劣而导致效率下降。
4 结论
本文基于等环量修正法设计了四种不同轴流泵叶轮,基于计算流体力学方法分析了四种叶轮的水力性能,研究表明:(1)对于轴流泵叶根处冲角不宜过大,也不宜产生负冲角。两者都会加剧产生通道涡,降低轴流泵的效率;(2)适当减小叶根侧等环量修正因子可以提高轴流泵叶轮低流量工况下的效率,一般叶根处的等环量修正因子在0.3~0.55内比较适宜。主要由于此时冲角在较宽的流量范围内较为合理,叶根冲角一般在6°~8°能使轴流泵效率达到最佳。
摘要：采用等环量扭曲规律设计的轴流泵叶片扭曲度大,在小流量工况下易造成根部冲角过大,使轴流泵效率明显下降。通过叶根侧等环量修正因子改变叶轮的几何形状,提高流动效率;并通过CFD数值计算验证改进的叶轮模型。研究结果发现,叶根侧环量修正因子的变化对轴流泵叶轮效率、扬程影响显著。减小叶根侧等环量因子,可以提高低流量工况的效率;但会使得大流量工况效率急剧恶化。对于研究的轴流泵模型,叶根处的等环量修正因子在0.3~0.55内较为适宜。
关键词：等环量修正因子,数值模拟,轴流泵
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