沿黄高扬程电力提灌泵站水泵焊接式叶轮试验研究
时间：2022-10-09 06:22:07
摘要： 本文为逐步解决沿黄地区大中型高扬程电力提水泵站以24SH-19型单级双吸式离心泵为重点对象，研究其叶轮焊接工艺可行性来解决影响着水泵的扬程、出水量、效率、抗汽蚀与抗磨性等问题所做的一项试验研究。
Abstract： In order to overcome the defect of the impeller of large and medium-sized high-lift power pump， this article takes 24SH-19 single-stage double-suction centrifugal pump as the key object and studies the feasibility of its impeller welding in order to solve the problems affecting the lift， water flow， efficiency， cavitations and abrasion resistance of the pump.
Key words： single-stage double-suction centrifugal pump；steel welding impeller；cavitations and abrasion resistance
中图分类号：TV675 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）27-0047-02
0 引言
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，以实现设计要求的效率、流量、扬程及抗汽蚀耐磨性能。⑥叶片及盖板的金相组织：铸造工艺常会出现砂眼、气孔、缩松等质量缺陷，而焊接式叶轮除保证焊接质量外，无上述缺陷。⑦机加工性能：和铸铁一样，普通A3钢具有良好的切削加工性能。⑧流量、扬程、效率、寿命：由于采用了抗汽蚀耐磨性较好的材料，加上工艺工装的改进，叶轮重量降为铸铁叶轮的72%小于铸铁叶轮为180公斤，焊接叶轮为130公斤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的同时，效率会有所提高，使用寿命将是铸铁叶轮的两倍以上。
4 经济效益
焊接式叶轮造价约为铸铁叶轮的1.56倍，但焊接叶轮使用寿命是铸铁叶轮的两倍以上，同时，由于抗汽蚀耐磨性的提高，水泵的容积效率将有所提高，重量的减少，无功损耗的减少，水泵效率也将有所提高，从而节约大量的电费，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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