電灌工程泵站用高效抗汽蝕耐磨蝕雙吸式離心泵的研制

電灌工程泵站用高效抗汽蝕耐磨蝕雙吸式離心泵的研制

1葉輪運(yùn)行效率低24小時(shí)-19號(hào)雙吸式離心泵（流量0.88m3，sh，寬程32m，轉(zhuǎn)速970rmin，軸功率310w，主缸功能40kv，效率0.89，允許蒸發(fā)負(fù)荷7.5m）主要由ht20-40灰口鑄鐵組成。新葉輪累積運(yùn)行5000-6000小時(shí),葉輪進(jìn)水邊即發(fā)生大面積穿孔,葉輪出水邊沿流線方向縮短10～15mm,流面形成溝槽,出水邊呈不規(guī)則鋸齒狀,葉輪口環(huán)密封部表面沿徑向磨蝕4～5mm,表面呈蜂窩麻面狀,導(dǎo)致水泵流量、效率急劇下降,水泵運(yùn)行低效。相比之下,QT600-3球墨鑄鐵葉輪使用壽命較長(zhǎng),也只能延長(zhǎng)至8000小時(shí)左右。對(duì)于一個(gè)主要依靠有限的農(nóng)業(yè)灌溉水費(fèi)維持運(yùn)營(yíng)的管理單位,怎樣提高運(yùn)行效率,節(jié)能降耗,降低提水成本,增加效益,是管理面臨的一個(gè)嚴(yán)峻任務(wù)。因此,需要研制一種具有較好抗汽蝕耐磨蝕性、效率高、使用壽命長(zhǎng)、葉片汽蝕磨蝕破壞后可修復(fù)再生使用、性價(jià)比好的葉輪。2模型運(yùn)行工況和鑄鐵材料相比,新的葉輪材料除具有良好抗汽蝕耐磨蝕性外,還應(yīng)具有良好的機(jī)械加工性能,工藝簡(jiǎn)單便于制造,可比性生產(chǎn)成本較為便宜。參照泵的設(shè)計(jì)方面的有關(guān)資料,我們選取了具有代表性的HT20-40灰口鑄鐵、25#鑄鋼、A3鋼板作為試樣在蘭州理工大學(xué)流體工程試驗(yàn)室進(jìn)行抗汽蝕耐磨蝕對(duì)比性試驗(yàn),試驗(yàn)工況模擬景電工程水源泵站黃河含泥砂水質(zhì)工況,試驗(yàn)用泥砂取自泵站前池;模擬泵站運(yùn)行工況時(shí)含泥砂量為65kg/m3(景電工程要求設(shè)計(jì)水泵的含泥砂量按65kg/m3考慮,在含泥砂量超過65kg/m3時(shí)應(yīng)停機(jī));試樣表面為平面,表面粗糙度3.2。試驗(yàn)結(jié)果是A3鋼板的抗汽蝕耐磨蝕性能較好。為驗(yàn)證實(shí)際使用效果,我們?cè)?200S56型雙吸離心泵(1200S56型雙吸離心泵是景電二期工程總干泵站的主水泵,其性能是:額定流量3m3/s,揚(yáng)程56m,轉(zhuǎn)速600r/min,軸功率1820kW,配套功率2240kW,效率0.89,允許汽蝕余量7.5m)的泵體密封環(huán)上進(jìn)行了A3鋼板與灰口鑄鐵的抗汽蝕耐磨性運(yùn)行工況對(duì)比試驗(yàn)。圖1是兩種結(jié)構(gòu)的泵體密封環(huán)示意圖,一種泵體密封環(huán)的密封面鑲裝了A3鋼板,另一種泵體密封環(huán)的密封面是灰口鑄鐵基體。通過兩個(gè)灌溉周期近5000小時(shí)的運(yùn)行觀測(cè),A3鋼板表面磨蝕量為0.5mm,灰口鑄鐵泵體密封環(huán)密封表面磨蝕量為4mm。試驗(yàn)進(jìn)一步表明,A3鋼板具有良好的抗汽蝕耐磨蝕性能,分析認(rèn)為這種材料屬于軋制態(tài),金相組織細(xì)密,沖擊韌性好,耐疲勞,并且這種材料的可焊性和機(jī)加工性能良好,造價(jià)相對(duì)較為低廉,是制造黃河含砂水質(zhì)工況下24Sh-19型雙吸離心泵葉輪的較為理想的材料。3葉輪汽蝕和懸架由于選用了A3鋼板,葉輪的毛坯生產(chǎn)工藝將由傳統(tǒng)的鑄造工藝轉(zhuǎn)變?yōu)楹附庸に嚒ｄ摪搴附尤~輪的設(shè)計(jì)由水力設(shè)計(jì)和制造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分組成。水力設(shè)計(jì)參照原灰口鑄鐵葉輪形線,結(jié)合景電工程葉輪進(jìn)水葉片汽蝕情況對(duì)沖角進(jìn)行了調(diào)整。制造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2,由葉片,前蓋板,口環(huán),輪轂等焊接加工而成。其中,葉片、前蓋板用專用模具熱壓成型,模具的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮鋼板壓制后的回彈量;口環(huán)用卷板機(jī)卷制成型;原葉輪運(yùn)行時(shí)輪轂汽蝕磨蝕量不明顯,輪轂采用25#鑄鋼鑄造;葉輪毛坯制造工藝路線是:輪轂表面形線加工→輪轂上葉片位置劃線→輪轂上葉片焊接→與前蓋板口環(huán)組焊加工件焊接成型葉輪毛坯→葉輪毛坯質(zhì)量檢驗(yàn)→消除內(nèi)應(yīng)力熱處理。葉輪的機(jī)械加工工藝與灰口鑄鐵葉輪相似,外圓處的不平衡質(zhì)量控制在15g以下,葉輪軸孔與泵軸之間為間隙配合,其配合代號(hào)為Φ80H8/h7。4試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)葉輪的性能對(duì)比測(cè)試是指在同一運(yùn)行工況參數(shù)下,在同一臺(tái)水泵上對(duì)鋼板焊接葉輪和鑄鐵葉輪進(jìn)行揚(yáng)程、流量、效率、振動(dòng)、噪聲等性能指標(biāo)的測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)為景電一期總干四泵站,機(jī)組號(hào)為六號(hào)。該泵站的主要技術(shù)特征(來自景電一期工程竣工報(bào)告)是:凈揚(yáng)程27.4m,總揚(yáng)程28.92m,單機(jī)設(shè)計(jì)流量0.96m3/s,設(shè)計(jì)提水流量10.56m3/s,水泵為24Sh-19型雙吸離心泵,裝機(jī)高程1521.8m,前池為正向進(jìn)水條件,設(shè)計(jì)水位1523.7m,進(jìn)出水管道為金屬壓力鋼管,匯總管至出水池直管段直徑Ф1400mm,長(zhǎng)度50m。試驗(yàn)葉輪為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鋼板焊接葉輪和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鑄鐵葉輪。泵體密封環(huán)與葉輪口環(huán)之間配合間隙相同,均為0.4mm,運(yùn)行工況相同。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB3216-89《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法》C級(jí)。試驗(yàn)用儀器儀表見表3。表中測(cè)量用儀器儀表的測(cè)量范圍、測(cè)量精度均滿足測(cè)量等級(jí)要求。測(cè)試結(jié)果:鋼板焊接葉輪的Q-H性能曲線與鑄鐵葉輪基本相同,不同的是Q-η曲線有一定變化,在同一工況下,裝配了鋼板焊接葉輪的水泵效率比配裝鑄鐵葉輪的水泵效率提高1.19%,運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音相比有所下降。5局部汽蝕,導(dǎo)致出口流量、效率下降,泵體內(nèi)部泄漏,流態(tài)惡化,影響流態(tài)新的鋼板焊接葉輪投運(yùn)至累積運(yùn)行時(shí)數(shù)達(dá)極5000小時(shí)時(shí),葉輪的進(jìn)出水葉片及流道的工作面形成了深約0.5mm的魚鱗狀流痕,水泵的流量由初始值慢慢略有上升,爾后慢慢下降略低于初始值。分析認(rèn)為,由于葉輪流道表面的磨蝕,過流截面略有增大,引起流量、效率等略有上升,隨著葉輪口環(huán)與泵體密封環(huán)之間間隙因磨蝕汽蝕的增大,口環(huán)處內(nèi)泄漏量逐漸增大,引起流量、效率逐漸下降。此時(shí)揭蓋配換新的泵體密封環(huán),確保設(shè)計(jì)要求的口環(huán)間隙,僅配換新的泵體密封環(huán),繼續(xù)運(yùn)行至累積時(shí)數(shù)達(dá)15000小時(shí)時(shí),進(jìn)水葉片局部表面出現(xiàn)麻面,葉片出水邊工作面形成了3～5mm不等的溝槽,流量、效率下降約2%～3%。分析認(rèn)為,葉片表面的損壞主要是磨蝕和局部汽蝕的作用,而流量、效率下降的主要原因是口環(huán)間隙因磨蝕汽蝕增大引起的內(nèi)泄漏量增大所致。當(dāng)運(yùn)行至累積時(shí)數(shù)達(dá)20000小時(shí)左右時(shí),進(jìn)水葉片局部表面麻面變?yōu)榉涓C狀,葉片出水邊工作面形成了10～15mm不等的溝槽,與前蓋板結(jié)合部葉片約15mm寬的一段缺失長(zhǎng)約15～18mm不等。此時(shí),水泵流量下降約4%,效率下降約4%～5%。水泵運(yùn)行的振動(dòng)、噪音有微量增加。分析認(rèn)為,由于葉片進(jìn)水邊局部表面為蜂窩狀,較為粗糙,葉片出水邊的不規(guī)則,引起了局部汽蝕,加劇了磨蝕,汽蝕與磨蝕相互作用形成了惡性循環(huán),加劇了葉片的損壞,影響了水的流態(tài),這也是引起水泵流量、效率下降的原因之一。此時(shí)葉輪運(yùn)行已低效,達(dá)到了檢修期。6補(bǔ)焊后表面粗糙度鋼板焊接葉輪的修復(fù)簡(jiǎn)單易行,其方法是:用J422型結(jié)構(gòu)鋼焊條補(bǔ)焊已損壞的葉片和口環(huán)部位;磨削補(bǔ)焊后的流道表面至設(shè)計(jì)要求的水力形線和表面粗糙度;車削校正補(bǔ)焊后的口環(huán)部位和葉片外圓,恢復(fù)至設(shè)計(jì)要求的線性尺寸、形位尺寸和表面精度,按設(shè)計(jì)要求做動(dòng)平衡校驗(yàn)。7葉輪使用壽命及修復(fù)成本的計(jì)算如果灰口鑄鐵葉輪使用壽命按5000小時(shí)計(jì)算,球墨鑄鐵葉輪使用壽命按8000小時(shí)計(jì)算,鋼板焊接葉輪使用壽命按20000小時(shí)計(jì)算,鋼板焊接葉輪的使用壽命是灰口鑄鐵葉輪的4倍,是球墨鑄鐵葉輪的2.5倍。而鋼板焊接葉輪的造價(jià)僅為灰口鑄鐵葉輪造價(jià)的1.4～1.5倍,是球墨鑄鐵葉輪造價(jià)的13～1.4倍,鋼板焊接葉輪的修復(fù)成本是其造價(jià)的1/10左右。由此可知,鋼板焊接葉輪的性價(jià)比較好。8鋼板焊接葉輪自1997年立項(xiàng)與蘭州理工大學(xué)合作開始研制24Sh-19型雙吸離心泵鋼板焊接葉輪以來,通過不斷的運(yùn)行試驗(yàn)和改進(jìn),鋼板焊接葉輪的制造技術(shù)日臻完善,性能得到進(jìn)一步提高。隨著周期性檢修,大量的24Sh-19型雙吸離心泵安裝鋼板焊接葉輪后投運(yùn),運(yùn)行正常,性能良好。24Sh-19型雙吸式離心泵鋼板焊接葉輪的成功研制,為其它型號(hào)的雙吸式離心泵鋼板焊接葉輪的研制奠定了基礎(chǔ)。目前景電工程裝配了鋼板焊接葉輪的雙吸離心泵規(guī)格型號(hào)及數(shù)量如下:24Sh-19型雙吸離心泵110臺(tái)套,24Sh-9型雙吸離心泵18臺(tái)套,32Sh-9型雙吸離心泵16臺(tái)套,1200S56(32)型雙吸離心泵84臺(tái)套。為工程管理節(jié)約了大量的維修基金