水泵叶轮（共7篇）
水泵叶轮 篇1
水泵的应用是很广泛的, 在国民经济中许多部门要用到它。它的使用涉及到各个领域, 有工业, 农业和能源方面, 甚至在军事方面都用到它的很多原理。在化工生产的实际工况中, 由于工作的环境恶劣, 长周期的频繁使用, 动力较强, 它的震动幅度相对也较大, 因此可能会出现各种各样的问题和故障, 本文我重点写了水泵的叶轮平衡孔扩大减少故障的问题, 以及其它的故障及产生的原因以及一些处理它的方法。
1 水泵的用途
在化工和石油企业的生产中, 原料、半成品和成品大多是液体, 而将原料制成半成品和成品, 需要经过复杂的工艺过程, 泵在这些过程中起到了输送液体, 为化学反应提供压力、流量的作用。能适应化工工艺需要, 水泵在化工生产中, 不但要输送液体物料并提供工艺要求的必要压力, 还必须保证输送的物料量, 在一定的化工单元操作中, 要求水泵的流量和扬程要稳定, 保持泵高效率可靠运行, 此外, 还可以用泵来调节温度。总之, 无论是重工业还是轻工业, 无论是国防建设还是军事装备, 无论是尖端科学技术还是日常的生活, 到处都需要用泵, 到处都有泵在运行。所以水泵的用途是机械工业中重要产品之一, 是发展现代工业、农业、国防、科学技术必可少的机器设备, 掌握使用维护知识和技能具有重要的现实意义。由于水泵的广泛使用, 故障问题也较多, 减少其中其中某一方面的故障问题就会形成大规模的经济效益。
2 水泵的工作原理及平衡孔改造原因
在生产运行中, 发现轴承频繁损坏, 维修费用很高, 经过维护技术人员认真堪察总结, 发现后盖板上的平衡孔消除轴向推力离开叶轮周边的液体压力已经较高, 有一部分会渗到叶轮后盖板后侧, 而叶轮前侧液体入口处为低压, 因而产生了将叶轮推向泵渗透口一侧的轴向推力这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损, 严重时还会产生振动平衡孔使一部分高压液体泄露到低压区, 减轻叶轮前后的压力差但由此也会此起泵效率的降低, 而轴向推力过大是造成轴承频繁损坏的原因, 从而影响了化工生产的有序进行, 不得不频繁的进行维修, 造成了较高的维修费用。
化工泵的运行可靠包括两个含义:一是长周期运行不出故障;二是运行中各种参数平稳。水泵运行的可靠性对化工生产至关重要, 若泵经常发生故障, 不仅会造成经常停产, 影响产量和经济效益, 而且有时还可能造成化工系统的事故。水泵转速的波动, 会引起流量及泵出口压力的波动, 使化工生产不能正常进行或系统中的反应受到影响, 物料不能平衡, 不仅造成浪费, 甚至造成产品质量下降或使产品报废。
3 水泵叶轮平衡孔扩大革新依据
根据叶轮口环和泵体口环间隙面积计算出五个平衡孔的平均面积, 然后计算出平衡孔直径。
水泵叶轮平衡孔扩大改造的计算方法如下:
(1) 主要参数有以下四个:叶轮口环外径D=200.80m m;泵体口环内径D1=202.16m m;叶轮平衡孔内径d;平衡孔数量5个。
(2) 实施方案:
(1) 口环间隙面积S=1/4Π (D1) 2-1/4Π (D) 2=1/4*3.1 4* (2 0 2.1 6) 2-1/4*3.1 4* (200.80) 2=432.73计算平衡孔直径d:则S=1/4Π (d) 2*5, 所以代入数值后d=10.5。
(2) 轴承串量调整为0.08mm。
(3) 每个化工厂或使用改造者可以根据各自的相关投资和改造投资, 算出各自的技改收益率: (=投资存利/改造投资*100%)
机封价格:1623.93元, 轴承价格:445元。
按更改前平均每月维修两台次计算 (更换轴承必须更换机封) , 产生的经济效益就可以算出如下: (1632.93+445) *2*12=49654.32元。
在实际生产中, 经过某化工厂对水泵叶轮平衡孔的扩大改造, 已经能够实现水泵的长周期运行, 由原来的每月维修两台次延长到了每年维修两台次, 大大的延长了水泵维修的时间, 由此可见由水泵叶轮平衡扩大可以减小由于轴向推力过大造成的轴承频繁损坏的频率, 降低化工生产中的设备维修的频率, 减少维修费用, 节省了人力物力, 保障了化工设备的持续运行时间, 产生了不可忽视的经济效益, 具有较大的推广性, 对于保障化工生产持续有效的进行, 有着不可磨灭的作用。
4 水泵轴承发热原因及水泵故障预防措施
轴承发热的原因及处理方法如下:
(1) 轴承瓦块刮研不合要求。
(2) 轴承间隙过小。
(3) 润滑油量不足, 油质不良。
(4) 轴承装配不良。
(5) 冷却水断路。处理方法是检查、修理。
(6) 轴承磨损或松动。
(7) 泵轴弯曲。
(8) 甩油环变形, 甩油环不能转动, 带不上油。
(9) 联轴器对中不良或轴向间隙太小。
水泵故障预防措施:
(1) 保证离心泵的润滑良好。
(2) 加强易损件的维护。
(3) 流量变化平缓, 一般不做快速大幅度调整。
(4) 严格执行操作规程, 杜绝违章操作和野蛮操作。
(5) 做好状态监测, 发现问题及时分析处理。
(6) 定期清理泵入口过滤器。
5 结束语
本文主要介绍了由于轴承损坏, 频繁更换轴承而发现的泵的平衡孔扩大改造发案, 分析平衡孔的构造和原理, 以及轴承经常损坏发热的原因和水泵故障的预防措施, 供相关使用人员参考, 以节省水泵的使用维修费用, 而离心泵运转过程中, 难免会出现各种各样的故障。因而, 如何提高泵运转的可靠性、寿命及效率, 以及对发生的故障及时准确的判断处理, 是保证生产平稳运行的重要手段。若能充分重视, 则能够将水泵的修理平均间隔时间延长, 使泵的可靠性和利用率得到大幅度提高。
参考文献
[1]关醒凡.泵的理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1987[1]关醒凡.泵的理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1987
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[3]李阳初.石油化学工程原理[M].石化出版社, 2008[3]李阳初.石油化学工程原理[M].石化出版社, 2008
扬水泵站如何延长水泵叶轮寿命 篇2
1 水泵叶轮在运行中常见的原因
1.1 叶轮的磨损
水泵是扬水机电设备的核心设备，而叶轮又是水泵的重要部件，在运行中叶轮在充满水的泵体内高速旋转。由于扬黄流域受黄河泥沙含量的影响，尤其是汛期含沙量猛增。泥沙对水泵过流部件的磨损，同时也直接影响到叶轮。一方面不但破坏了叶轮表面的光洁度。另一方面是水泵出口具有很高的相对速度，当含有一定的料径、浓度和硬度的泥沙随高速水流通过水泵内体时，泥沙与金属壁面产生高速摩擦，形成条条与水流方向一致的条状痕迹。当过流壁面凹凸不平时，高速含沙水流会产生漩涡，沙粒对表面形成反复冲击，对壁面造成洼状的破坏现象。叶轮磨损主要发生在出口叶片及前后盖板的内外侧，叶轮进口处口缘与口环的间隙处。由于磨损，使得叶片被磨短，减少了出水量，水泵的效率明显降低。
1.2 叶轮表面的气蚀
在水泵的设计制造过程中，叶片的设计线形难以保证，叶轮与进水室、叶轮与隔舌等部分的互相配合，受到非稳定流动时的漩涡损失的影响。叶片流产断面发生变化，脱壁漩涡和二次回流都将直接作用在过流部件面上，对叶轮剥蚀，大块损坏。产生气蚀，气蚀会对水泵叶轮的过流部件产生一系列的物理和化学作用，在它们的共同联合作用下，加剧了对水泵叶轮过流部件的磨损。当气蚀严重时，叶片表面与水流的摩阻增大，不仅增大能量损失，还会产生叶片表面回流，蚀穿叶轮。
2 延长叶轮使用寿命的途径
延长叶轮的使用寿命的方法，不仅要从设计、制造等方面加以改进，还应从泵站优化调度和运行管理、叶轮材质等多方面采取有效措施提高检修工艺从而延长叶轮的使用寿命。
2.1 控制叶轮与口环的间隙
除在严格控制水源含沙量方面下功夫外，还应在检修中对磨损严重叶轮和口环进行合理的修补，根据我们的经验：对叶轮和口环单边间隙在2.0，双边在4.0以上的叶轮进行堆积补焊，然后上床车削处理，以达到配合间隙在0.6～0.8内，对磨损不太严重，叶轮与口环单边间隙在2.0，双边间隙在4.0以内的可进行补焊磨光处理，检修时可根据叶轮的磨损情况采取相应的材料和检修方法进行处理。
2.2 提高叶轮表面的光洁度
对叶片表面粗糙进行涂复、补焊磨光处理。我们对我处沅江48I—35I水泵立式水泵的过流部件进行抗磨蚀金属粉末喷涂试验。提高了光洁度效果显著。
2.3 铸铁叶轮应及时进行涂护与修复
铸铁叶轮其材质较脆，过流面光洁度差，容易被硬杂物损坏，运行一段时间后空蚀、磨损严重。在我处泵站投入使用几年后，就开始探索对铸铁叶轮的修复问题，先后在过流部件表面涂护环氧金刚沙、复合尼龙、改性聚氨酯弹性体等非金属材料保护层，用来抵抗水泵叶轮过流表面的空蚀、磨损破坏，这些试验都不同程度的使铸铁叶轮抗磨蚀破坏能力大大提高，使用寿命也比灰口铸铁叶轮延长一倍左右。
2.4 采用抗磨材料
水泵的过流部件应采用耐磨性能好的材料。一是将抗耐磨材料喷涂或堆焊在易磨损部位处，如在叶轮口缘、口环及叶片等部位喷涂环氧金刚砂调和剂，或用不锈钢焊条进行堆焊。二是将易磨损部件直接用抗磨材料制成，如叶轮口缘、口环及叶片可制造成球墨铸铁的叶轮和口环，合金钢的叶轮和口环等，这样可大大提高过流部件的耐磨性。如叶轮口缘已被磨损严重、且有多处穿孔现象(准备更换叶轮时)，但叶轮叶片状况较好，用环氧金刚砂调和剂对叶轮口缘部位进行人工涂护，涂护后，且配镶钢环，使该叶轮的使用寿命延长了2000多个小时，有效的降低了运行成本。
2.5 从调整叶片角度考虑，改进叶轮设计
我们可以从增大叶轮进口直径，可减小进口流速，降低动能，增加叶轮进口压力。设计合理的叶片型线和安放角，提高过流表面精度，最大限度的减小诱发空蚀源。2009年我们在固扩三泵站试验一台机组(3#机组1200S22反设计流量2.8M3/S)安装加大叶轮，经过一年的上水发现，该台机组上水量比同期机组高出0.2M3/S，目前这台机组任然安全运行。
对改变水泵叶轮直径的分析 篇3
关键词：水泵,叶轮,水业
1 引言
近几年随着公司供水管网的不断改善以及优化调度方案的实施, 下正街水厂的水泵工作压力大部分时间 (5:00-24:00) 在0.24mpa-0.28mpa之间, 深夜后期 (0:00-5:00) 在0.2mpa-0.22mpa之间运行, 日供水量约7万吨。从水泵性能参数可知3#-6#水泵机组运行已严重偏离最高效率工况点。因此有必要对其进行设备改造, 以提高水泵的运行效率。目前下正街水厂二级泵房共有六台水泵机组。平时生产模式是:常开启两台大泵, 偶尔再加壹台小泵运行。
供水示意图如图1所示, 性能参数如表1所示。
2 对改变叶轮直径进行分析
离心水泵工况点的改变由两个方面引起:
(1) 改变管道系统特性曲线, 如水位变化、闸阀节流等;
(2) 改变水泵本身的特性曲线, 如水泵转速, 切削叶轮、水泵串、并联等。
现场以双吸350S-44A型3#水泵为例对改变叶轮直径进行浅析:
2.1 切削水泵、降低扬程
2.1.1 拟把扬程由37米降至32米
切割后理论上每年可省电24×365× (130-107) =20万kwh。
2.1.2 拟把扬程由37米降至26米
同理, 切割定律计算Q2=995 m3/h, P2=82kw, 切割后理论上每年可省电24×365× (130-82) =42万kwh。
通过上述计算机结果双吸350S-44A型3#泵的实际比转速n比=138.91, 经查叶轮切削限度与泵比转速关系表可知其最大切削量与原叶轮外径比值应该不超过14%, 按照上述两种切割方案:
(1) 切削系数为6.13%符合要求;
(2) 切削系数为14.4%, 超过其最大切削量不符合要求。
(1) 叶轮过度切削往往会引起泵效率的下降。实际性能与期望性之间差距巨大, 会导致配套电机出现超电流现象甚至烧毁电动机, 会造成叶轮报废损失。经查手册350S-44A型3#水泵工作在扬程41m-30m为高效率。因此对3#水泵叶轮切削应控制在扬程32m-30m之间选择。
(2) 叶轮切削后水泵流量都会变小, 减少的水量必须由其它水泵来工作分担。当选方案 (1) 时, 经过计算需每天多开工2小时的2#水泵运行, 折算用电量79×2×365=5.8万kwh。当选方案 (2) 时, 经过计算每天多开5小时的2#水泵运行, 折算用电量79×5×365=15万kwh。
(3) 叶轮进行切割是凭经验操作, 经反复多次修正试验后, 还应对叶轮重新做静、动平衡。叶轮切割存在叶轮不平衡或达不到预期效果风险。
2.2 更换水泵, 选择合适扬程的新泵
这又有两种做法:
(1) 只更换水泵, 不换配套电动机;
(2) 水泵电机整体更新。鉴于现役水泵机组已经使用超过十年, 其中的3#电机曾经大修, 遗留隐患是运行温度偏高, 新老配套还需要调整联轴器。故选择水泵电机整体更新的做法。
根据下正街水厂目前运行的情况, 查找手册, 如选择双吸350S-26型水泵, 流量972-1440m3/h, 扬程32mm-22mm我认为是最佳选择。当扬程为26m时, 流程1260m3/h, 运行效率能达到85%-88%之间, 满足水厂生产需要。该水泵轴功率N=101.5kw, 相对350S-44A型水泵轴功率降低30kw, 既比原水泵每年可省电26.3万kwh, 比经切削叶轮至32m扬程多省电6.3万kwh。经市场咨询, 目前市场上一台双吸350S-26型水泵报价人民币4.8万元, 含底座, 其配套4-132kw电动机 (西门子) 人民币3.2万元, 共计8万元。如按整套更换水泵机组实施, 一年能收加成本投入, 第二年开始每年能节约电费10万元。
3 小结
综合上述全部分析, 我倾向更换水泵机组, 原因:
(1) 原水泵使用有10多年, 机械磨损腐蚀严重, 增大叶轮切割风险;
(2) 主力水泵, 3#电动机进行过大修, 目前运行温升相对偏高;
(3) 水泵叶轮切削后, 可能会造成大马拉小车现象, 电动机空载损耗增加, 降低节能效果。
参考文献
[1]张广亮, 罗永贵, 魏淑华, 刘建华.一种新型结构的离心式水泵[J].地质装备, 2010 (03) .
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[4]朱勇.汽车发动机冷却水泵中半开式叶轮锥面角度专用量具设计[J].山东工业技术, 2014 (14) :6-7.
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岱海电厂凝结水泵去叶轮改造分析 篇4
内蒙古岱海电厂二期工程选用了上海汽轮机厂生产的N600-16.67/538/538型2×600 MW汽轮机组。该机组采用中压凝结水系统，每台机组配置2台上海凯士比泵有限公司生产的全容量NLT500-570×5S型凝结水泵。凝结水泵首级采用双吸叶轮，后4级采用单吸叶轮，升压按级分配[1]。
1 情况简介
机组投产后，在额定负荷下运行时，凝结水泵出口压力为3.7 MPa，流量1 570 t/h，除氧器上水调门开度仅51.1%。由于凝结水泵扬程偏高，除氧器上水调门及管道节流损失很大，这使得很大一部分能量在系统中损耗掉，导致凝结水系统的实际效率偏低，凝结水泵电耗较高。为保证凝结水压力低于精处理额定工作压力，凝结水再循环调门应在机组负荷低于520 MW时开始开启，但这也加剧了凝结水泵的能量损耗，同时还导致再循环管道振动较大，对管道、阀门冲刷严重。因此从机组节能与安全2方面考虑，应适当降低凝结水泵出口扬程。结合凝结水泵的实际运行情况，该厂对4号机组凝结水泵进行了抽掉末级叶轮的节能改造，使之既能满足凝结水系统正常运行要求，又能降低凝结水泵的出口压力，达到节能降耗的目的。岱海电厂凝结水泵及电机参数如表1所示。
2 凝结水泵改造对机组经济性的影响
4号机组凝结水泵改造后，在机组600 MW负荷时，凝结水泵出口压力降至2.81 MPa，较改前降低约0.9 MPa，同时凝结水泵电机电流也从原224.9 A下降至174 A。改造后试运时，凝结水泵运行稳定，振动、温度等各项指标均合格，其中41凝结水泵主要运行参数如表2所示。
注：(1)上述运行参数均为对应负荷稳定运行1 h后数值;(2)为保证精处理不超压，凝结水再循环调门设定值为3.8 MPa; (3)凝结水再循环流量测点最大量程为500 t/h，因此改造前300 MW负荷下凝结水再循环流量要大于508 t/h。
从表2中可看出，凝结水泵改造后，凝结水再循环调门即使在低负荷下也不再开启;#5低加出口凝结水压力与改造前相当，能够保证除氧器的正常上水;凝结水泵效率约提高3%～5%，除氧器上水调门开度较改造前开大约5%;凝结水泵改造后的运行电流平均降低约50～83 A，电功率约降低350 kW。
2011年该厂4号机组全年平均负荷为480 MW，年运行6 000 h，上网电价0.382元/kW·h，按照改造后凝结水泵(实际电压6.3 kV)电流降低60 A计算，由公式P=姨3 UIcosφ可得改造后凝结水泵每年节约资金：1.732×6.3×60×0.89×6 000×0.382=1 335 501.2元，节能效果显著。
3 凝结水泵改造对设备安全的影响
(1)改造后保护定值及相关逻辑需进一步修改。1)凝结水泵改造后，泵出口压力降低，原凝结水母管压力低I值为2.8MPa，联备用泵值为2.4 MPa，现修改为：低I值2.2 MPa，联备用泵值1.8 MPa;2)凝结水压力低跳低旁的定值原为：精处理出口处凝结水压力低于1.8 MPa，低旁处减温水压力低开关量3取2跳闸。现修改为：精处理出口处凝结水压力模拟量低于1.5 MPa，低旁处减温水压力模拟量低于1.0 MPa、开关量低于1.0 MPa, 3取2跳闸[2]。在机组启动阶段，由于该机组采用带旁路高中压缸联合启动，虽然低旁保护定值已修改，但仍需注意凝结水母管压力，防止旁路跳闸造成启动阶段汽轮机跳闸。3)凝结水再循环调门增加“凝结水流量低至420 t/h保护开”逻辑，防止凝结水再循环调门开度小于80%且流量低至380 t/h时造成的凝结水泵保护动作跳闸。
(2)凝结水泵改造后，在一定背压下水位低于1 080 mm左右时发生过凝结水泵微汽化现象，所以正常运行时应保持排汽装置水位不低于1 200 mm。在有引起水位较大变化的情况时，务必要加强对凝结水泵出口压力及电机电流的监视。
(3)机组运行中退出高加时，凝结水流量会大幅增加，尤其是在高负荷阶段，很可能导致凝结水泵过负荷，造成设备损坏。因此，机组运行中退高加时，需降低机组负荷，尽量不要超过500 MW。
(4)抽叶轮改造实施后，凝结水泵出口压力大幅降低，在保障最小流量防止凝结水泵汽蚀的前提下，可降低再循环开启的最低负荷，使再循环管道振动降低，从而大幅提高再循环管道各连接焊口的可靠性，这能对凝结水系统的安全性起到积极作用。
(5)凝结水系统精处理的出口压力，决定于其出入口的压差，该机组凝结水精处理出入口差压>0.3 MPa时报警，进出口压差>0.35 MPa时旁路电动门自动开启并切断精处理系统。在去掉末级叶轮后，凝结水泵的出口压力降低了，同时由于凝结水系统节流损失的减小，精处理出口的压力也随之降低，并且凝结水不会再超过精处理出口的额定压力，保证了精处理的安全运行[3]。
(6)凝结水泵改造后出口压力降低，在机组额定负荷下，凝结水母管压力为2.6 MPa，而减温水调门开度会开大，调门调节特性就可能会发生变化。因此，在今后机组运行时需加强监视，以保证减温效果。
4 结语
该厂为降低凝结水泵出口压力，提高机组的经济性和安全性，对凝结水泵进行了抽掉末级叶轮的改造。改造后的机组每年可以节省大量厂用电，其经济效益十分明显。凝结水泵在改造后的运行中逐渐完善了相关逻辑及保护，同时积累了大量运行经验，对同类型机组有一定的借鉴意义。
摘要：介绍了岱海电厂二期机组凝结水泵去叶轮改造的基本情况, 并根据凝结水泵去叶轮改造前后运行参数的对比, 计算出了改造后的具体节能效果。同时根据运行中已发现的问题, 分析并总结了凝结水泵改造后对各相关系统及设备安全的影响, 提出了相应的预防措施, 并取得了一定的效果。
关键词：汽轮机组,凝结水泵,叶轮,节能改造
参考文献
[1]岱海发电有限责任公司.二期汽轮机规程
[2]岱海发电有限责任公司.二期凝结水泵叶轮改造后的运行技术措施
水泵叶轮 篇5
一、概述
汽车发动机冷却水泵由于安装空间限制和性能要求, 具有体积小、制作简便, 利于批量生产等特点。冷却水泵一般由泵体、叶轮、轴连轴承、水封、皮带轮等主要零部件组成。
泵体压水室根据发动机缸体结构的不同可以集成设计在发动机缸体上, 也可以单独配置, 叶轮是水泵的核心功能部件、其直径、出口宽度、叶片的结构形状等参数及结构设计直接决定冷却水泵的性能。
冷却水泵的结构种类很多, 按叶轮材料不同, 可分为铸铁叶轮、冲压叶轮和塑料叶轮;按叶轮有无盖板可分为开式叶轮和闭式叶轮;按叶轮叶片形状的不同, 又可分为直叶片叶轮、单曲率叶片叶轮和空间扭曲形叶片叶轮。
随着科学技术的不断发展, 目前市场上的冷却水泵中只有在卡车、大客车等重型车辆及少数自主品牌乘用车上仍采用铸铁叶轮, 日系乘用车现多采用冲压叶轮, 欧美等先进国家多采用塑料叶轮, 国内自主品牌车三种叶轮均有应用, 但随着国外新技术的引进, 在新开发的机型中也开始使用塑料叶轮, 冷却水泵工作时, 冷却液在叶轮里的运动情况如下图所示。液体一方面随着叶轮一起旋转, 同时又从转动着的叶轮里向外流出。
液体随着叶轮的旋转运动称为圆周运动, 其速度称为圆周速度u。
液体从旋转状态的叶轮里向外流出的运动称为相对运动, 其速度称为相对速度w。
液体相对于泵体的运动称为绝对运动, 其速度称为绝对速度v。
绝对运动是圆周运动和相对运动的合成运动。
由此可见, 不管是哪种型式叶片的叶轮, 在水泵工作时, 叶轮叶片都对内部液体产生一定的阻力, 因此降低了水泵的效率。
相对于闭式叶轮而言, 开式叶轮优点是:结构简单, 容易成型制造;缺点是:对壳体配合要求较高, 这就增加了泵体流道表面的加工精度要求, 同时也增加了水泵总成装配精度要求, 且效率相对较低, 不利于节能。
扭曲叶片叶轮虽然在工业用泵上早已大量采用, 但汽车水泵叶轮由于其结构尺寸较小, 叶轮成型困难, 至今仍更多的采用圆柱形叶片叶轮。
随着科技的发展及油价节节攀升, 对汽车节能降耗的呼声与日俱增, 发动机冷却系统效率的提高主要从新材料的应用和新结构设计两个方面来实现, 现在欧美等先进国家都开始采用塑料闭式叶轮, 一方面转子重量大大减轻, 且零件表面光洁度大大提高, 从而降低发动机的能耗;另一方面, 叶轮一次注塑成型, 不需要二次加工, 降低了制造成本。大众公司在近两年新开发的项目上也开始采用扭曲型叶片叶轮设计, 这种结构型式的叶片, 更符合液体的流动规律, 降低液体流阻, 泵效进一步提高。
应用举例:
某客户一发动机配套水泵, 要求水泵性能参数:
流量Q=175L/min;
泵送压力P2=2.6bar;
转速n=7000rpm;
系统最大压力P=3.7bar;
温度范围-40℃~140℃。
针对这一案例笔者运用试验设计 (DOE) 原理分别做了4种不同型式叶片叶轮方案, 并进行CFD模拟计算分析, 以进一步研究叶轮结构型式对水泵性能的影响。
首先在相同的进出口叶轮直径及相同的叶轮出口宽度的情况下选定影响水泵性能的叶轮参数—叶轮型式 (开式、闭式) 、叶片数 (5片、6片) 及叶片形状 (圆柱形、扭曲型) 三个因子, 每个因子选取2个水平, 利用正交矩阵表对其进行排列, 最终选取以下4种叶轮方案:
1) 闭式圆柱形5片叶片叶轮;
2) 闭式扭曲6片叶片叶轮;
3) 开式圆柱形6叶片叶轮;
4) 开式扭曲5叶片叶轮。
对上述4方案边界条件设置相同, 然后采用pumplinx软件分别进行CFD分析计算, 其结果如下表所示:
运用试验设计分析方法将上述模拟计算结果进行分析整理:
用Yj1表示第I列因素一水平所对应各号试验的试验指标之和, Yj1为其平均值。
通过Yj1、Yj2….的比较, 就可找到该因素最优水平, 各因素的最优水平组合起来, 就是对试验结果最有利的条件。
结果显示, 本列中各因素的最优水平为A1、B2、C2, 所以对试验结果来说最优条件是A1 B2 C2。
在Yj1、Yj2…..中数值最大者与最小者之差, 即因素的极差, Rj表示。它反映了各因素水平变动时, 试验指标变动的幅度。
极差越大, 说明这个因素对指标的影响越大, 所以根据极差的大小就可以排出因素主次的顺序:A、B、C。
综合以上分析, 我们通过本次试验得出以下结论:对该水泵性能影响最大的因素分别为:叶轮型式、叶片形状及叶片数;叶轮型式闭式为宜、叶片形状扭曲形为宜、叶片数6片为宜。
二、结论
由此可见, 在不改变其他零件结构的基础上, 叶轮由开式直叶片叶轮改为闭式空间扭曲叶片叶轮时, 泵的效率提高了11.46%, 可见叶轮结构形式对水泵效率具有举足轻重的作用。但此种结构叶轮国内尚无先例, 加工制造较为困难, 加大了模具的设计难度。
为此, 该种型式叶轮未被广泛采用。但大众公司在EA211发动机项目上开始使用了此种设计的叶轮, 经过国内同行的技术攻关, 模具经过多轮设计调试, 最终采用多方位滑块抽芯方法, 现在已能开发出叶轮注塑模具, 借鉴该叶轮模具的设计经验, 可以将此方案推广到更多的产品设计中去。
摘要：本文针对同一性能要求水泵分别选取不同叶片数、叶片结构形状及叶轮型式通过CFD流体计算分析对水泵性能进行模拟, 从而得出最优叶轮。分析水泵叶轮型式的发展趋势。
关键词：汽车发动机水泵,叶轮型式,闭式叶轮,扭曲叶片,水泵效率,DOE
参考文献
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[2]中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册.机械工业出版社, 1983.
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水泵叶轮 篇6
樊口电排站位于湖北省鄂州市城区长江粑铺大堤上, 西至武汉65 km, 东距黄石40 km, 是湖北省综合治理梁子湖水系的大型电力排涝工程, 承担梁子湖流域面积3 265 km2的排涝任务, 流域内耕地9.47万hm2, 受益面积3.34万hm2, 保护人口150万人。樊口电排站于1977年7月动工, 1980年6月建成并投入运行。站内装设转轮直径4 m的40CJ-95型轴流泵, 配单机容量0.6万kW的TDL535/60-56型同步电机四台套, 装机容量2.4万kW, 单机设计流量53.5 m3/s, 总设计流量214 m3/s, 其单机容量为我国目前已建最大的轴流泵。樊口泵站为避免大面积渍涝灾害, 确保工农业增产丰收, 发挥着重大的作用。但泵站多年运行后, 水泵叶轮室汽蚀严重, 叶轮中心上下部位形成一环状汽蚀侵蚀带, 严重影响水泵的性能。若更换水泵外壳, 耗资大, 更换下来的水泵外壳再无其他用处, 浪费大。考虑到节省投资, 充分利用原有材料, 本文提出了采用在不更换水泵外壳的基础上, 在汽蚀破坏处开槽嵌装不锈钢衬套的方法进行叶轮室汽蚀改造。
1 汽蚀原因及改造方法分析
水泵在运行期间, 若由于某种原因使泵内局部压力降低到水的汽化压力时, 水就会产生汽化而形成气液流。从水中离析出来的大量气泡随着水流向前运动, 到达高效区时受到周围液体的挤压溃灭, 气泡内的气体又重新凝结成水, 同时产生很高的水锤压力, 使材料的边壁遭受侵蚀和破坏, 这就是水泵的汽蚀。水泵汽蚀常见的是叶片汽蚀, 另外, 当泵内水流通过突然变窄的间隙时, 速度增加而压力下降, 也会产生汽蚀。
樊口泵站机组哈夫壳拉开后, 发现在转轮叶片上下的泵壳上有一环形汽蚀带。经考察分析发现, 樊口泵站在水泵安装时, 对每块叶片进行了车削, 但未对车削部位进行打磨处理, 留下了凹凸不平的痕迹, 故在叶片外缘与泵壳之间存在很小间隙。在叶片正、背两侧很大的压力差作用下, 出水引起极大的回流速度, 造成局部压力下降, 从而发生间隙汽蚀。经检测, 樊口泵站水泵汽蚀带宽250 mm, 汽蚀区蚀坑深10～13 mm, 且连续分布, 呈蜂窝状。
樊口电排站水泵叶轮室的汽蚀, 已经严重影响了水泵的工作性能, 因此, 必须进行改造。在改造方法上, 首先考虑到的是更换水泵外壳, 但樊口电排站泵壳外腰最大直径达到4.5 m, 若更换水泵外壳, 不利影响如前所述。为了节省投资, 充分利用原有材料, 改造时, 最好只是对受汽蚀的部位进行处理, 而不更换泵壳。对水泵汽蚀的处理, 主要有以下三种方法。
(1) 化学处理, 即以环氧树脂为基础, 添加一定比例的多乙烯多胺、氧化铝、铁红、金刚砂、丁二酯、二硫化钼等, 制成涂料涂敷在汽蚀部位, 该方法虽然价格低, 操作简单, 但使用效果不理想, 樊口电排站部分机组曾使用过该方法进行处理, 机组运行一段时间后涂层脱落, 叶轮室继续发生汽蚀侵蚀。
(2) 喷镀焊处理, 即利用氧乙炔火焰将专门的合金粉末喷镀焊于汽蚀部位, 该方法虽然喷镀焊层硬度高, 但喷镀厚度均匀性不能得到保障, 易造成喷镀表面粗糙, 同样会引起间隙汽蚀。
(3) 不锈钢板嵌套, 即对汽蚀损坏部位进行车削, 然后嵌装不锈钢板与母体材料焊接。该方法虽然加工费用偏高, 但抗气蚀性能好, 保证运行时间长。
樊口电排站装有目前我国单机容量最大的轴流泵, 考虑到保证机组良好运行, 减少维修次数等因素, 故提出采用第三种方法进行改造。
2 改造工艺流程
樊口电排站水泵叶轮室属ZG35#钢大型厚壁金加镶套工件, 工件结构为可拆式四边分离腰鼓式, 高1 800 mm, 厚50 mm, 外壁有井字环形衬筋, 衬筋高约200 mm, 厚50 mm, 工件内壁最大直径Φ4 000 mm, 外腰最大直径约Φ4 500 mm, 质量约为7 t。根据气蚀情况, 确定嵌装衬套的厚度为14 mm, 加工汽蚀带槽的宽度与深度分别为200 mm和14 mm。
本工艺采用嵌装不锈钢板衬套修补, 需要立车对汽蚀损坏部位进行车削, 樊口电排站站内无相关设备, 需将工件托运至鄂钢机械分厂进行加工, 由于工件比较笨重, 且超宽, 需整体装车运输;工件运输至鄂钢机械分厂后, 根据设定的尺寸, 金加工汽蚀带槽的宽度和深度, 完成后装、运输回樊口电排站;樊口电排站加工嵌装的衬套, 同时打磨已加工成形的汽蚀带槽残留汽蚀孔;将制作完成的衬套, 根据工件的周长镶嵌贴焊在槽内, 根据镶嵌衬套的底孔钻削本体壳体内壁所配螺孔底孔直径及深度, 焊补螺帽与衬套使之成为整体, 焊接上下环形焊缝;第二次运输到鄂钢机械分厂上立车, 加工本体内圆弧汽蚀带到Φ4 000 mm, 之后运回樊口电排站进行汽蚀带表面硬质合金的喷漆, 最后吊装、安装。工艺流程图如图1所示。
3 改造方案设计
3.1 车工汽蚀带槽
用立车加工汽蚀带槽前必须根据本体壳体的上止口进行校正圆心, 装夹时首先将本体壳体上连接处的定位销固定, 然后拧紧所有固定螺栓, 用力对称进行, 以免偏心及变形。装夹完成后, 用尖刀切削汽蚀带逐步使之深度达到14 mm, 然后车削其宽度到200 mm, 车削出汽蚀带槽, 剖口形式如图2所示。
3.2 制作衬套
衬套的材料采用16Mn不锈钢板, δ=16 mm, 16Mn钢是含有锰和硅的低合金钢, 它比A3钢只多加些锰, 但其强度却增加35%左右, 强度等级为35 kg级。制作时, 根据已车削好了的气蚀带槽宽度和深度下料, 并留有加工余量。根据已车削好了的内径加工卷成需要的弧度, 长度为本体的1/4下长度, 两端边打好剖口, 剖口形式为端 (外弧38°) 。将已下好的1/4衬套画线钻底孔, 扩45°m12沉头螺丝屁股锥孔。将1/4衬套固定在1/4本体壳体上, 用m12沉头螺丝拧紧, 并将沉头帽子与衬套用电焊焊接成整体。
3.3 焊 接
本体母材为ZG35#钢厚壁, ZG35#钢含碳量为0.32%～0.42%, 焊接碳当量约在0.32%～0.42%。制作衬套的16Mn钢焊接碳当量约为0.34%～0.44%, 两者的碳当量基本一致。为了保证中碳钢焊接后不产生裂纹和得到满意的机械性能, 通常采取以下措施。
(1) 采用碱性低氢型焊条, 这类焊条抗冷裂和抗热裂性能比较高, 特殊情况下, 可采用镍铬不锈钢焊条焊接, 如奥302、奥307、奥402、奥407等焊条, 其特点是可不考虑预热。
(2) 焊接坡口, 以减少母材熔焊缝中金属的比例, 为防止产生裂纹, 采用光滑的U型坡口。
4 结 语
(1) 基于樊口电排站水泵叶轮室汽蚀的特点, 采用了嵌装不锈钢衬套的方法进行改造, 水泵抗汽蚀性好, 工程投资相对较少, 改造方法可行。
(2) 工程已按改造工艺流程和设计方案实施, 改造过程中, 进展顺利, 改造后, 机组运行状况良好。
(3) 水泵运行5年来, 叶轮室几乎完好无损。为大中型轴流泵叶轮室汽蚀改造提供借鉴。
参考文献
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水泵叶轮 篇7
甘肃省景电工程是跨省区、高扬程、多梯级、大流量的大Ⅱ型提水灌溉工程。设计流量28.6立方米/秒, 加大流量33立方米/秒, 兴建泵站43座, 装机容量27万千瓦;灌溉面积100万亩。一期工程1971年10月上水设计灌溉面积30.42万亩。二期工程1987年10月上水设计灌溉面积67.25万亩。
1 延长叶轮使用寿命的重要性
24SH-19型单级双吸式离心泵 (流量0.88m3/s, 扬程32m转速970r/min, 轴功率310kw, 配套功率400kw, 效率0.89, 允许汽蚀余量7.5m) , 叶轮是离心式水泵的心脏, 叶轮的设计, 制造工艺, 材质、加工精度等直接关系着自身使用寿命, 一期工程的水泵大都采用铸造工艺生产毛坯, 受其工艺限制, 叶轮存在许多不足之处, 制约着其技术性能的提高, 如材料为铸铁, 叶轮型线保证率低, 进水叶片厚度误差大, 出水叶片合缝处错位, 流道表面粗糙不光滑, 叶片抗汽蚀及耐磨性差, 加工耗时费力、难度大, 设计要求难以实现等, 用铸造方法生产的叶轮, 运行至2000-4000小时后, 叶片进口部便由于汽蚀与磨蚀而穿孔, 水泵出水量及效率急剧下降, 进入低效工作区, 能耗开始增大, 运行很不经济, 为了提高叶轮抗汽蚀能力, 增强耐磨性、延长其使用寿命, 探求理想的材料及生产工艺, 研制新型叶轮已成为一项重要的科研课题。
2 理论来源及构思
九十年代初, 景电管理局机电处与甘肃工业大学流体工程系合作, 对水泵叶轮进行了多次实验研究和理论探讨, 通过在1200S56型水泵叶轮进水叶片上进行的表面打磨试验, 部分金属材料的抗汽蚀耐磨性试验, 叶片安放角的多次改进实验, 在叶片抗汽蚀耐磨性、延长使用寿命方面取得了大量的具有使用价值的实验数据。举实例由景电二期提供的报废泵体口环, 其内壁表面有明显的汽蚀与磨损的鱼鳞坑, 深度为4~10毫米。先将口环内径790mm车大, 用钢板做成圆环并焊接, 外圆车至扩大的泵体口环内径, 嵌入口环, 用螺钉固定以免滑动。然后, 将整个口环车至原设计尺寸。当然叶轮口环也可用同样办法修复。
经过几年的运行考核, 运行一年时间钢圈口环最大磨损约0.4mm, 口环表面磨蚀比较均匀。而同样的铸铁口环表面呈鱼鳞状, 运行相同时间后最大磨损量达5mm。这说明用钢板抗磨蚀能力可大大提高, 随之改善了间隙中的流态也减轻了相应叶轮口环表面的磨蚀破坏 (此次试验叶轮口环仍为铸铁) , 同时减少了泄漏量提高了泵运行的平均效率, 估计可提高6~10%。由此我们发现不同的材料, 其抗汽蚀耐磨性能大不一样, 普通A3钢优于不锈钢堆焊材料, 不锈钢优于铸铁, 而且普通A3钢的抗汽蚀耐磨性能约为铸铁的5倍。我们还发现叶轮的抗汽蚀、耐磨性能与叶片表面的粗糙度有关, 表面的粗糙度越高, 增加了叶片表面的汽蚀源, 其抗汽蚀耐磨性能下降, 表面越光滑, 减少或消除了汽蚀源, 其抗汽蚀耐磨性能有很大的提高, 原1200S56型的水泵未打磨流道的铸铁叶轮, 其使用寿命约为4000~5000小时, 打磨后降低了表面粗糙度的叶轮, 寿命约为8000小时, 其寿命几乎提高了一倍。在叶轮改进过程中我们还证实, 水泵的扬程、出水量、效率还与叶轮进出口安放角有直接关系。在这些理论指导下, 用钢板取代铸铁, 改铸造工艺为焊接工艺, 以提高叶轮的制造精度, 增强其抗汽蚀耐磨性能, 延长使用寿命具体如下:
(1) 叶轮毛坯, 由分立的叶片、前、后盖板轮毂等组成。 (2) 材料:除轮毂可为铸钢外, 其余部件采用普通A3钢。 (3) 生产工艺:叶片, 前后盖板用模具热压成型, 整体组焊, 消除应力后, 机加工成型, 工艺装备及生产工艺如下:
工艺装备, 按设计要求完成一个产品加工, 首先有一套严密的工艺装备, 对焊接式叶轮而言, 叶片是一个较为复杂的部件, 既有弧面又有扭曲面, 各面之间都是通过其实现加工精度的, 其次是前后盖板, 因此, 研制一套叶片压模及前后盖板压模是非常重要的, 我们做了大量认真、细致的工作, 不仅完成了模具设计还亲临现场指导加工, 为模具的成型付出了艰辛的劳动, 叶片模具加工成型, 将保证叶片型线, 提高加工质量, 使叶片加工走向专业化、规范化。试制成功的两个叶轮足以证明这一点。
叶片表面精度:钢板表面粗糙度约在12.5um, 只要用风动或手动砂轮进行处理, 表面粗糙度均匀可达6.3um。叶片的组焊:叶片定位在钳工平台上找正点焊, 组焊采用手动电弧焊, 焊接质量执行焊接件部颁标准。应力处理:可采用时效处理, 也可进行消除应力热处理。切削加工:加工工艺和设备与铸铁相同。
通过试制两个焊接叶轮和对叶轮尺寸精度检测, 证明了工艺装备, 完全可以满足焊接叶轮生产需要。
3 技术性能对比分析
通过对已加工成型的两个样品的线性尺寸和形位尺寸, 表面精度的检验, 对焊接式叶轮做个初步的性能分析:
(1) 材料:采用了A3钢, 其抗汽蚀耐磨性能优于铸铁。 (2) 叶片型线:由于我们采用了专用模具压制成型, 叶片与模具完全吻合, 保证叶片具有设计要求的型线, 克服了铸造工艺中形成的折线, 减少了汽蚀源。 (3) 叶片表面粗糙度:铸造成形的叶片, 其表面粗糙度为12.5um, 且人工打磨困难, 而焊接式叶轮的叶片采用分件制造, 人工打磨极为方便, 打磨后表面粗糙度在6.3um以上, 高于铸造叶轮精度, 降低或减少了汽蚀源。 (4) 叶片厚度:铸造叶轮叶片厚度误差在2~3mm之间, 焊接式叶轮叶片厚度误差仅为0.5mm, 减少了叶片壁厚对流道的影响, 保证了叶轮各流道的均匀性, 减少了运行时流量不均匀产生的振动。 (5) 合缝的对称性:叶轮制造业中合缝的错箱允许在叶片厚度20%以内, 时间使用中, 有的叶轮的错箱5~6mm, 相当于叶片厚度的42%~50%, 严重影响着水泵的出水量和扬程, 焊接式叶轮采用了左右两边一次成型的整体叶片, 不存在错箱问题, 从而保证了叶片具有设计要求的进出口安放角, 以实现设计计要求的效率、流量、扬程及抗汽蚀耐磨性能。 (6) 叶片及盖板板的金相组织:铸造工艺常会出现砂眼、气孔、缩松等质量缺缺陷, 而焊接式叶轮除保证焊接质量外, 无上述缺陷。 (7) 机加加工性能:和铸铁一样, 普通A3钢具有良好的切削加工性性能。 (8) 流量、扬程、效率、寿命:由于采用了抗汽蚀耐磨性较较好的材料, 加上工艺工装的改进, 叶轮重量降为铸铁叶轮轮的72%小于铸铁叶轮为180公斤, 焊接叶轮为130公斤大大于加工质量将有进一步提高, 预计在保证设计流量及扬程程的同时, 效率会有所提高, 使用寿命将是铸铁叶轮的两倍倍以上。
4 经济效益
焊接式叶轮造价约为铸铁叶轮的1.56倍, 但焊接叶轮轮使用寿命是铸铁叶轮的两倍以上, 同时, 由于抗汽蚀耐磨磨性的提高, 水泵的容积效率将有所提高, 重量的减少, 无功功损耗的减少, 水泵效率也将有所提高, 从而节约大量的电电费, 经济效益较为客观。
5 结语
通过以上分析论证, 可以看出焊接式叶轮是一种较为经经济、实用的新型叶轮, 具有一定推广使用价值。
参考文献
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