水泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)及材質(zhì)

于錫平

（沈陽水泵制造有限公司，遼寧 沈陽 110141）

水泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)及材質(zhì)

于錫平

（沈陽水泵制造有限公司，遼寧 沈陽 110141）

離心泵發(fā)生氣蝕，葉輪會(huì)遭受氣蝕破壞。本文簡要提出葉輪提高抗汽蝕性能優(yōu)化依據(jù)，同時(shí)介紹了改善葉輪設(shè)計(jì)、提高離心泵抗氣蝕性能的傳統(tǒng)措施和最新方法以及雙相不銹鋼的應(yīng)用，指出焊接葉輪在離心泵運(yùn)行中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

汽蝕；優(yōu)化；雙相不銹鋼；葉輪

0 引言

我們曾提供吉林某電廠用于循環(huán)水系統(tǒng)的SA型泵，其中一臺(tái)經(jīng)常因汽蝕而使泵運(yùn)行不穩(wěn)定、振動(dòng)、功耗大、噪音偏大。當(dāng)泵無法正常運(yùn)行時(shí)，葉輪已汽蝕穿孔，不可續(xù)用。

1 汽蝕破壞的原理及防止發(fā)生汽蝕的方法

汽蝕是一種液體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，發(fā)生的根本原因在于液體流動(dòng)過程中出現(xiàn)了局部壓力降，形成了低壓區(qū)，當(dāng)泵吸入口壓力降低到該處相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，液體發(fā)生沸騰氣化，使原來流動(dòng)的液流中出現(xiàn)大量的氣泡，氣泡中包含著輸送液體的蒸汽及少量原來溶解于液體中而逸出的空氣。當(dāng)氣泡隨同液流從低壓區(qū)流向高壓區(qū)時(shí)，氣泡在周圍高壓液體的作用下，迅速縮小凝結(jié)而急劇的崩潰。由于蒸汽凝結(jié)過程進(jìn)行得非常迅速與突然，結(jié)果在氣泡消失的地方產(chǎn)生局部的真空，周圍壓力轉(zhuǎn)變的液流非常迅速的從四周向真空空間沖擠而來，形成極大的沖擊力。由于氣泡的尺寸極微小，所以這種沖擊力集中作用在與氣泡接觸的零件微小表面上，其壓力可達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓以上，水擊頻率高達(dá)25000次/s。因而使材料壁面上受到高頻高壓的重負(fù)載荷作用而逐漸產(chǎn)生疲勞破壞，同時(shí)，如果所產(chǎn)生的氣泡中還夾雜有活潑氣體（如氧氣等），借助于氣泡凝結(jié)時(shí)放出熱量對金屬起化學(xué)腐蝕作用，致使金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)以導(dǎo)致穿孔，嚴(yán)重時(shí)金屬晶粒松動(dòng)并剝落呈現(xiàn)出蜂巢狀甚至把壁面蝕穿。這種氣泡不斷形成、生長和破裂崩潰，以致材料受到破壞的過程，總稱為氣蝕現(xiàn)象。

新提出的提高抗氣蝕性能的方法：1）采用長短葉片形式的葉輪，2）葉輪出口寬度適當(dāng)增加，3）采用適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)量。

2 循環(huán)水泵優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化葉輪參數(shù)

由于現(xiàn)場工藝條件限制，電廠循環(huán)水系統(tǒng)SA泵進(jìn)口管路連接復(fù)雜，造成管路損失過大，葉輪進(jìn)口存在明顯壓降，泵形成汽蝕。預(yù)不使泵氣蝕，必須增大有效汽蝕余量NPSHa或減小泵汽蝕余量NPSHr,保證有效汽蝕余量大于泵汽蝕余量。但是有效汽蝕余量的大小與裝置參數(shù)及液體性質(zhì)有關(guān)，而泵汽蝕余量與裝置參數(shù)無關(guān)，只與泵進(jìn)口部分運(yùn)動(dòng)參數(shù)有關(guān)，泵進(jìn)口部分運(yùn)動(dòng)參數(shù)在一定轉(zhuǎn)速和流量下是由泵的幾何參數(shù)決定的，也就是說，泵汽蝕余量是由泵本身決定的。在進(jìn)行了多方面比較權(quán)衡后，確定了下列改造方案：保持原泵殼、底座、管路等工藝條件不變，即不改變有效汽蝕余量,而是按實(shí)際工藝流量重新設(shè)計(jì)葉輪，通過改變?nèi)~輪參數(shù)減小泵汽蝕余量來提高泵的抗氣蝕性能。

2.2 優(yōu)化葉輪的制造工藝和葉片材料

原葉輪采用了鑄鐵整體鑄造的方式，鑄鐵材料的晶粒結(jié)構(gòu)不夠致密，σs、σb都不夠高，抗應(yīng)力腐蝕能力不強(qiáng)，在發(fā)生氣蝕的情況下，容易快速形成氣蝕破壞，鑄造葉片沒有較高的鍛造比，材料疏松，晶粒粗大，抗氣蝕性能明顯低于鍛造葉輪?；谏鲜鲈?，改變?nèi)~輪制造工藝及葉片材料，來提高泵的抗氣蝕性能。

2.3 優(yōu)化措施

式中：u0-葉片進(jìn)口稍前的絕對速度，ω0-葉片進(jìn)口稍前的相對速度，λ-葉片進(jìn)口壓降系數(shù)。

要通過減小NPSHr值來提高泵本身的抗氣蝕性能，則必須通過減小 u0、ω0、λ來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際改造過程中，通過改變?nèi)~輪進(jìn)口直徑Dj和改變?nèi)~片進(jìn)口角β1來達(dá)到這個(gè)目的。

2.3.1 增大葉輪進(jìn)口直徑Dj

設(shè)葉片進(jìn)口圓周分速度Vu1=0，由葉片進(jìn)口稍前的速度三角形ω02=υ02+u02,如增大葉輪進(jìn)口直徑Dj，則圓周速度u0增大、υ0減小，必存在一個(gè)Dj使二者平方和最小。由公式：

式中：k1和k2-修正系數(shù)，dh-葉輪輪轂直徑。

根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果，可設(shè)D02=Dj2-dh2D0稱為葉輪進(jìn)口折引直徑，當(dāng)dh=0時(shí)，D0=Dj。

D0=k0(Q/n)1/3，k0-設(shè)計(jì)取值系數(shù)，n-轉(zhuǎn)速（r/min）Q-流量(m3/s)，對雙吸泵取Q/2。

顯然增加k0可以減小υ0，從而減小NPSHr，改進(jìn)泵的抗氣蝕性能。但k0取的過大，液流在進(jìn)口處的擴(kuò)散嚴(yán)重，破壞了流動(dòng)平順和穩(wěn)定性，形成漩渦使水力效率下降。另一方面，Dj增大，口環(huán)內(nèi)徑變大，口環(huán)的泄漏因泄漏過流面積增加而增大，使泵的容積效率ηv下降。原則上k0一般按下述選?。?/p>

要求有高抗氣蝕性能的葉輪，取K0=4.5-5.5

要求兼顧抗氣蝕性能和效率的葉輪，取K0=4.0-4.5

要求主要考慮提高效率的葉輪，取K0=3.5-4.0

在本次改造設(shè)計(jì)中，我們?nèi)0=5.5，這是符合高抗汽蝕性能的葉輪。

2.3.2 改善吸入性能-改變?nèi)~片的進(jìn)口角

葉片進(jìn)口角，通常都大于進(jìn)口相對液流角，即β1＞β1‘

正沖角△β=β1-β1‘，沖角值通常為△β=（3-10）°，個(gè)別情況大到15°。采用正沖角能提高抗氣蝕性能，而且對效率影響不大，其理由：（1）增大了葉片進(jìn)口角β1，從而可以減小葉片的彎曲，增大葉片進(jìn)口過流面積，減小葉片的排擠。這些因素都減小υ0和ω0，提高泵的抗氣蝕性能。（2）采用正沖角，在設(shè)計(jì)流量下，液體在葉片進(jìn)口背面產(chǎn)生脫流。因?yàn)楸趁媸侨~片間流道的低壓側(cè)，該脫流引起的漩渦不易向高壓側(cè)擴(kuò)散，因而漩渦被控制在局部，對氣蝕的影響較小。反之，負(fù)沖角時(shí)液體在葉片工作面產(chǎn)生漩渦，該漩渦易于向低壓側(cè)擴(kuò)散，對氣蝕的影響較大。在正沖角時(shí)，壓降系數(shù)λ在很大正沖角范圍內(nèi)變化不大，在負(fù)沖角時(shí)，λ急劇上升。本次改造中適當(dāng)增大了葉片進(jìn)口角，使△β=12°。（3）泵的流量增加時(shí)，β1增大，采用正沖角可以避免泵在大流量下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)負(fù)沖角。

2.3.3 改變?nèi)~片的制造工藝和葉片材料

采用焊接式葉輪，葉片、輪轂、蓋板皆分開制造后焊接成整體。葉片選用σs，σb都較高的瑞典牌號3RE60雙相不銹鋼制造。葉輪蓋板及輪轂均采用18-8，3RE60為瑞典Sandvik廠20世紀(jì)60年代初期開發(fā)的著名的耐應(yīng)力腐蝕的雙相不銹鋼。這種022Cr18Ni5Mo3Si2N型的雙相不銹鋼是目前合金元素含量最低，可焊性良好的耐應(yīng)力腐蝕鋼種。在化學(xué)工業(yè)中，它在氯化物介質(zhì)中的耐孔蝕性能同317L相當(dāng)，耐中性氯化應(yīng)力腐蝕性能顯著優(yōu)于普通18-8型奧氏體不銹鋼，用于承受較低應(yīng)力（≤σs）和較低濃度氯化物條件下的設(shè)備和部件，尤其耐以孔蝕為起源的應(yīng)力腐蝕效果顯著，它有較好的強(qiáng)度-韌性綜合性能、冷熱加工工藝性能及焊接性能，適用作結(jié)構(gòu)材料，其機(jī)械性能σb≥700MPa, σ0.2≥450MPa,δ5≥30%,ψ≥60,AK/J≥150J,HRC≥26。

此種制造方法與鑄造葉輪相比有以下幾點(diǎn)優(yōu)越性：（1）由于葉片材質(zhì)3RE60的σs與σb都高，加上超低碳的抗蝕性能好，使得抗氣蝕能力明顯增加。（2）葉片是鍛材，保證比較高的鍛造比，材料致密，晶粒細(xì)化，抗氣蝕性能優(yōu)于鑄造葉片。（3）在葉片制造過程中，由于葉片處于敞開狀態(tài)，可以對葉片進(jìn)行整修，使得葉片光潔，解決了鑄造葉片打磨困難，表面粗糙度的問題，從而提高葉輪的抗氣蝕能力。（4）葉輪分開制造，葉片可以采用優(yōu)良的材質(zhì)，而葉輪蓋板及輪轂可采用次之的材料，大大降低了葉輪的制造成本。

3 抗氣蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后使用效果

通過選擇適當(dāng)?shù)娜~輪入口直徑，改變?nèi)~片入口角度來改善泵的吸入性能及改變?nèi)~輪的制造工藝和選擇抗氣蝕性能好的雙相不銹鋼，較好解決了循環(huán)水泵葉輪氣蝕問題，新葉輪經(jīng)使用后反映，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲振動(dòng)明顯下降。而且改造后葉輪葉片的焊接性能好，可以對氣蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)后使用，大大提高葉輪使用壽命及節(jié)省檢修時(shí)間及成本。為電廠安全運(yùn)行創(chuàng)造了條件，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

楊玉潔］