中国石油天然气股份有限公司锦西石化分公司 辽宁锦西 125001
摘要：目前而言，我国机泵市场上大多是老式的构造。这些泵拆装机械密封频繁遇到轴封及轴承问题时，数据调查显示大多数泵故障都是由此引起，而这些故障又和泵的叶轮结构形式和尺寸有着密切联系，因此开展泵叶轮改造研究具有重要意义。本文主要对叶轮改造技术在水利输送中的应用进行分析探讨。
关键词：叶轮改造；水利输送；应用
1 化工流程泵叶轮改造研究
1.1 旧式结构特点
对旧式的化工流程泵结构特点进行分析，以市面上大多数的流程泵结构为例，叶轮为闭式，承磨面是位于叶轮和泵壳上的承磨环之间。为了使叶轮轴向推力和密封腔室压力起到真正的平衡作用，在叶轮的后盖板面设计了加强筋，数量因具体结构的不同而有所差异。这些筋条使得叶轮和泵盖中的环形空间内的液体旋转，液体旋转从而产生离心径向流动，使得后泵腔中压力降低，同时也使得总轴向力下降。这种结构设计得以应用后，造成在叶轮后盖板的径向筋条磨损特别敏感，尤其是泵送带磨料液体，如果这些径向筋条出现磨损的情况，叶轮后泵腔以及密封腔室压力会增高，造成轴承载荷变大，密封面磨损加剧。
除此之外，还存在泵壳上承磨环设计问题。因为泵的效率及实际测量的扬程会受到承磨环间隙变大的影响，所以不得不定期更换新的承磨环，这个过程要把泵壳拆除，因此也带来新的问题，也就是泵吸排液管道系统的支撑问题。还有承磨环和泵壳界面在受到轻微振动磨损和腐蚀，对旧式的承磨环进行拆卸是有一定难度的。利用锁紧螺母能够把叶轮固定在轴上，也会出现设计上的问题。主要是螺母处的垫片无法发挥真正的作用，螺纹容易遭受入口液流的湍动冲击，已经被腐蚀的螺母因此而不易拆卸。泵轴和叶轮轮段一般是利用热套配合的方式，装配工艺方面需要利用专门的拆卸工具，拆卸过程中还需要加热才可以把叶轮从轴上分离出来，利用键的连接间隙配合叶轮腐蚀之后，也不可避免出现不容易拆卸的问题。
1.2 改造方案
以某水库输水用离心泵为例提出叶轮改造方案。对于离心泵而言，尤其是对过流部件而言，耐汽蚀、冲刷和化学腐蚀是相当重要的，因此十分有必要进行校核，然而由于泵的零部件形状不规则使用一般的材料力学公式无法解决叶轮强度和刚度问题。在实际工作中，我们把零件抵抗变形的能力叫做刚度，把零件抵抗破坏的能力叫做强度。为了提高输送泵的使用寿命，应当尽可能做大尺寸，然而在实际工作中，又希望泵的零件尽量小，这样成本也会降低，因此在具体的改造设计中，要满足这两个条件，需对离心泵叶轮尺寸进行详细核算确定。
1.2.1 叶轮强度计算
泵朝着高速化的方向发展，如果泵的转速提高，叶轮会由于离心力而应力也随之提高，当转速超过限定数值，就会造成叶轮的损坏。因此，计算时可以把叶轮看做是一个圆盘（也即是忽略了叶片对叶轮盖板的影响）。对于旋转圆盘而言，圆周方向的应力是最为重要的。
1.2.2 叶片厚度的计算
为了扩大叶轮流道的有效过流面积，设计是希望叶片越薄越好。然而假如叶片选择的太薄，在铸造时存在一定难度，从改造强度方面进行考虑，叶片必须要有一定厚度。目前而言，铸铁的叶轮最小叶片的厚度是3~4mm，铸钢叶片的最小厚度是5~6mm，叶片不能选择过厚，叶片厚度会使得效率降低，恶化泵的汽蚀性能。大泵的叶片厚度要适当加厚，对于延长泵的使用寿命有所帮助。
2 存在的问题及改造方案
该水库原泵设计扬程偏高，吸水池的水位常常在高位（见表1）状态，以致泵长期在大流量下运行，振动偏大，尤其是经常处于大流量区运转的高比转速水泵有可能发生局部的汽蚀，蜗壳内撞击损失将剧烈增高，地基沉降速度相对将增加，直接关系到泵的同轴度，而泵结构形式又对同轴度补偿能力很差，因而严重影响泵的使用寿命，增加泵的检修频率。同时，需常规地采用出口阀门来调节，否则将造成损失及振动太大，而阀门的可靠性直接关系到输水隧洞及泵的安全。考虑水位变化较大，为使水泵均在合理区域内运行，采用大小不同的定速泵进行并联运行。故分别对叶轮进行切割和设计。
表1 汤浦水库历年平均水位
3 叶轮改造及性能曲线
（1）总体要求扬程要下降，但是最高效率下流量、最高效率不能下降或下降幅度很小，性能曲线不能陡降（尽管当时供水量未达到30万m3，但要考虑供水量在逐渐增加，否则供水时间要延长，电费要增加），根据水位变化能适应调度要求。
（2）叶轮切割由于吸水池的水位经常在28～30m，导致3#泵运行时流量在6.5～6.8m3/s，扬程38～40m。现要求2#泵扬程下降5m左右，运行时流量在6m3/s左右，并根据切割后性能曲线再决定是否需对4#泵进行改造。因切割量不大，经计算2#泵切割后叶轮直径为1358mm。
（3）叶轮设计尽管2#泵切割后最高效率下流量不变，最高效率下降不大，但是高效区变窄。故2#泵不易再切割，否则最高效率有可能下降较大，高效区将变得更窄，在5.5～6.5m3/s区域扬程有可能陡降，故对4#泵进行重新设计。运行时要求流量在5.5m3/s左右，设计参数Q=5m3/s（如取大，对称蜗壳泵体将进行改造，使喉部面积增大，实际操作有难度），H=49m，n=500r/min，η=89%。经计算得ns=216，D2=1320mm，b2=460mm。
4 改造效果
改造前后功耗对比见表2。改造后不同定速泵并联运行时工况见表3。由表2可知，3#泵参与运行时功耗较大，4#泵参与运行时功耗较小。由表3可知，根据不同净扬程采用不同组合方式运行，效率都在高效区内，各台泵工况均良好，表明叶轮切割和设计是合理的。
表2 泵叶轮改造前后对比
注：①η表示泵并联运行泵机组的效率。
②Δ表示泵并联运行时单泵相对较差工况点的流量与最高效率点流量比值，表中表示取不利工况点的值。
③最优运行方式中A表示最优方式运行，B为其次，C为较差，D为最差。
5 结论
利用原泵改造，泵壳管路不变，经过叶轮切割和重新设计来减少泵振动，延长工作寿命，泵的备品备件可统一，维修方便，考虑进口水位在较低的情况下，保留一台3#泵。总之经过叶轮切割和重新设计：即采取大小不同的定速泵进行并联运行是可靠高效的，符合供水要求。
参考文献：
[1]黄列群，武鹏，薛存球，吴大转.离心式化工流程泵设计技术进展综述[J].机电工程.2009（06）
论文作者:肖凯文
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/17
标签：叶轮论文; 叶片论文; 扬程论文; 效率论文; 流量论文; 水位论文; 厚度论文; 《防护工程》2019年11期论文;