淺談提高離心水泵性能的有效途徑

張曉東

(神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

目前中國(guó)各個(gè)煤礦使用的各種型號(hào)的離心水泵有幾千臺(tái)，離心泵的效率和耗電率對(duì)企業(yè)和社會(huì)非常重要，直接關(guān)系到排水效率和成本管控工作[1-2]。對(duì)于維修廠來(lái)說(shuō)，也是一項(xiàng)應(yīng)該特別重視的頭等大事。如果單靠設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品圖樣，忽略維修工藝的影響，沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)工藝措施來(lái)保證，是不可能維修出性能優(yōu)良的節(jié)能產(chǎn)品。因而必須盡力采用新工藝、新技術(shù)，最大限度減少維修失誤，提高水泵的性能和使用壽命。

1 提高離心泵性能的注意事項(xiàng)

在開(kāi)發(fā)研究中因水力模型繪圖、制作樣板、模具生產(chǎn)的操作不當(dāng)?shù)纫蛩厥狗e累誤差嚴(yán)重超差，使得水泵的過(guò)流部位幾何形狀尺寸偏差與設(shè)計(jì)值不符、偏差較大，在水泵測(cè)試中，泵的性能偏離設(shè)計(jì)要求較大，設(shè)計(jì)點(diǎn)嚴(yán)重漂移[3-5]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的性能曲線與設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)性能曲線相對(duì)比，按照性能偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)的不同程度，檢查過(guò)流部位尺寸偏差，決定以修校原水利模型幾何尺寸，來(lái)校正性能曲線的方案。從維修方面通過(guò)改進(jìn)維修工藝，從而使泵的性能曲線與標(biāo)準(zhǔn)性能曲線相吻合或相差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，使產(chǎn)品保證合格。

1.1 葉輪前后蓋板偏差的影響

葉輪軸面流道是由前后蓋板組成的，軸面流道形狀是確保軸面速度按設(shè)計(jì)要求變化的保證，一般現(xiàn)代離心泵葉輪的流道，通常都按過(guò)水?dāng)嗝婷娣e沿程均勻緩慢變化的設(shè)計(jì)。因而葉輪出口寬度b2與葉輪入口寬度b1(圖1)對(duì)泵性能影響很大，當(dāng)葉輪的出口設(shè)計(jì)寬、較寬時(shí)(高比轉(zhuǎn)數(shù)泵)影響較小，當(dāng)葉輪出口寬度較小(即低比轉(zhuǎn)數(shù)泵)時(shí)則將顯著的影響泵的性能。由于葉輪流道寬度b1和b2的變化，影響到流道擴(kuò)散情況的改變，將會(huì)破壞原設(shè)計(jì)的“均勻緩慢擴(kuò)散”的要求，如果b1變小b2不變的話，擴(kuò)散度變大，水流在流道內(nèi)的擴(kuò)散損失就會(huì)劇增，其性能曲線與標(biāo)準(zhǔn)性能曲線平行，但比標(biāo)準(zhǔn)低，還會(huì)引起汽蝕性能變壞。如果b1不變或增大而b2變大時(shí)，擴(kuò)散度就減小，出口速度增高增加水力損失，泵的性能同上。在這2種情況下，泵的揚(yáng)程會(huì)降低2～5 m，如圖2所示。

虛線為標(biāo)準(zhǔn)形狀；實(shí)線為實(shí)際形狀圖1 葉輪

圖2 泵的揚(yáng)程

為了達(dá)到設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求，可通過(guò)測(cè)量葉輪軸面b1與b2的制造誤差，并修正或通過(guò)b1與b2的變化來(lái)確定葉輪所需的平均過(guò)流面積，使泵性能符合設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知葉輪的b1和b2與設(shè)計(jì)計(jì)算的差應(yīng)小于0.4 mm為宜。

1.2 葉輪出口寬度不均勻引起性能變化

葉輪出口寬度不均勻會(huì)引起泵的強(qiáng)力振動(dòng)、振動(dòng)速度V和振動(dòng)幅值S超出標(biāo)準(zhǔn)要求。由于鑄造過(guò)程中，油砂芯子、砂型內(nèi)腔的制造引起的葉輪出口寬度b2沿圓周的不均勻，造成前后蓋板厚度的變化不一。機(jī)械加工完成后，葉輪經(jīng)過(guò)精心的靜平衡，切去了不平衡的重量，但是泵有時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，其原因是由于b2的不均勻，各葉片所受水力負(fù)荷不同而引起的振動(dòng)。同時(shí)流量、揚(yáng)程、軸功率也要發(fā)生脈動(dòng)，致使測(cè)試不穩(wěn)定，指針偏擺較大，測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，給泵性能實(shí)驗(yàn)帶來(lái)困難，效率也有所下降。對(duì)葉輪出入口寬度偏差的要求，一般應(yīng)控制在0.375 mm以內(nèi)比較理想[6]，對(duì)于出口處，因?yàn)殡x軸心線較遠(yuǎn)，寬度對(duì)過(guò)水?dāng)嗝娴挠绊懜?，線速度也更大，所以偏差控制應(yīng)當(dāng)比進(jìn)口更嚴(yán)格。

1.3 葉片進(jìn)口邊與出口邊對(duì)性能的影響

泵所產(chǎn)生的揚(yáng)程不僅與葉輪的圓周速度和葉輪葉片出口角度有關(guān)，實(shí)際上，斯捷潘諾夫指出“出口角是唯一最重要的設(shè)計(jì)因數(shù)”。還有葉片入口附近的形狀，葉片出口端形狀對(duì)泵性能的影響也較大，葉片應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的木模圖進(jìn)行生產(chǎn)。

對(duì)于葉片入口邊的幾何形狀，修成尖角或刀刃狀效果較好但并不符合液體的流動(dòng)規(guī)律[7]，鋒利的進(jìn)口邊會(huì)使水流在進(jìn)入葉輪葉片后不遠(yuǎn)處提前分離，從而造成水力損失增加，汽蝕性能變壞，較理想的進(jìn)口邊應(yīng)修成略小于葉片厚度的1/2R圓角，并逐步均勻變化到葉片的厚度。對(duì)于試制的樣機(jī)性能有偏差時(shí)，可對(duì)葉片進(jìn)口邊進(jìn)行修銼，修銼葉片背面(圖3)，實(shí)際上相當(dāng)于減少了葉片骨線的進(jìn)口角，使水泵流量減少，高效點(diǎn)向小流量方向移動(dòng)。不論修銼葉片工作面還是背面，泵的效率均會(huì)提高1%～2%。

對(duì)于性能偏差比較大的泵，可進(jìn)行葉片出口的修正，而且最為敏感，在保證強(qiáng)度的條件下，葉片可銼的更薄些。修銼背面時(shí)，使葉片減薄，實(shí)際相當(dāng)于增加了葉片間的出口高度，增加了出口面積，也相當(dāng)于增加了葉片的出口按放角β2，使揚(yáng)程提高，性能曲線向上偏移，高效點(diǎn)向大流量方向偏移。相反，銼去葉片工作面使葉片減薄，相當(dāng)于減小了葉片的出口按放角β2，使揚(yáng)程降低，性能曲線向下偏移，如圖4所示。

圖4 性能曲線

葉片修銼后，泵在規(guī)定轉(zhuǎn)速下，泵的揚(yáng)程、效率變化(圖5)?？梢?jiàn)兩種方法均能使泵的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)外提高效率。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)修銼葉片的出口邊能有效地調(diào)節(jié)泵的性能參數(shù)。

圖5 泵的揚(yáng)程、效率變化

1.4 泵過(guò)流部位表面粗糙度對(duì)泵效率的影響

葉輪、泵體蝸室構(gòu)成了水泵的過(guò)流通道，它是離心泵的兩大關(guān)鍵部件，他們的表面粗糙度直接影響泵的揚(yáng)程、流量、軸功率和效率。因而國(guó)外不少泵廠用降低泵過(guò)流表面的粗糙度方法來(lái)減少水力摩擦損失，開(kāi)始應(yīng)用了沖壓成型的葉片，進(jìn)行鉚焊組裝成形來(lái)提高泵的效率。國(guó)內(nèi)部分泵廠開(kāi)始采用樹(shù)脂模型和砂芯表面上涂料的方法來(lái)提高過(guò)流表面的粗糙度，力求減少水力摩擦損失。在生產(chǎn)實(shí)踐中得出，葉輪葉片間和泵體蝸室中如果有清砂不凈、鑄件表面有缺陷或毛刺，會(huì)使水流發(fā)生阻滯，使邊界層加厚，相當(dāng)于減小了過(guò)流面積，同時(shí)還會(huì)引起漩渦損失和摩擦損失，可使水泵效率下降2%～3%左右。因此認(rèn)真清除流道內(nèi)的粘砂和毛刺也是提高泵效率的一個(gè)重要途徑。

1.5 泵體蝸室偏差對(duì)泵性能的影響

隔舌對(duì)泵性能的影響：蝸旋形壓水室，隔舌的形狀和位置對(duì)泵的性能有較大的影響，隔舌的進(jìn)口邊一般設(shè)計(jì)成圓形截面，以避免水流經(jīng)過(guò)隔舌后過(guò)早的分離。然而有些泵廠在制造過(guò)程中，做成較鋒利的尖角，認(rèn)為是分水嶺，這種隔舌不但會(huì)因水流過(guò)早分離而產(chǎn)生揚(yáng)程損失，而且尖薄的結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生鑄造缺陷，致使鑄件報(bào)廢，產(chǎn)品整機(jī)性能變壞。

隔舌與葉輪外圓間隙：這個(gè)間隙太大會(huì)使泵揚(yáng)程、流量、軸功率、效率降低；如果太小又會(huì)使泵在運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中發(fā)生振動(dòng)和噪聲，汽蝕性能變壞，效率降低。因而必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和計(jì)算要求制造。

低比轉(zhuǎn)速泵隔舌截面：對(duì)于低比轉(zhuǎn)速(比轉(zhuǎn)速ns為60～100)的泵，隔舌截面(圖6)的變化，離心水泵性能參數(shù)也在隨著變化，致使性能參數(shù)偏離設(shè)計(jì)要求。在泵體蝸室其尺寸不變，而單純減少隔舌的安放角α3時(shí)，必然會(huì)引起隔舌截面減少，這樣會(huì)引起水泵節(jié)流效應(yīng)。雖然關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程不會(huì)變化，但在相同流量點(diǎn)上，泵的出口揚(yáng)程會(huì)比正常情況下低，當(dāng)α3增大時(shí)，會(huì)使流量增大，同時(shí)軸功率也要增大。

圖6 隔舌截面

蝸室基圓找正：在泵體機(jī)械加工中，裝卡、找正時(shí)必須以泵體蝸室基圓找正，如果不按蝸室基圓找正，就會(huì)引起裝配后的葉輪中心偏離泵體蝸室中心(圖7)，使泵體的一側(cè)徑向截面減少，另一側(cè)徑向截面增大，從而破壞了水流沿蝸室周圍向原設(shè)計(jì)的速度分布規(guī)律，經(jīng)試驗(yàn)證明如中心偏離5 mm，揚(yáng)程將降低1～2.5 m，效率將降低3%左右，因而在加工中必須按蝸室找正保證葉輪中心與泵體蝸室中心在同一軸心線上。

圖7 泵體蝸室

出口法蘭或變徑管與泵出口的同心度：如果在25 mm的出口管法蘭上，當(dāng)法蘭中心與螺檢孔的中心不同心時(shí)，能使揚(yáng)程下降，因而安裝錐管時(shí)必須保證兩孔的同心度，以利于提高泵的使用性能。

2 維修裝配過(guò)程中注意事項(xiàng)

2.1 離心泵軸的檢測(cè)及修復(fù)

軸不應(yīng)有彎曲、裂紋、嚴(yán)重銹蝕或損傷，檢測(cè)泵軸直線度，其值在全長(zhǎng)上應(yīng)不大于0.05 mm。軸頸表面不得有麻點(diǎn)、溝槽等缺陷，表面粗糙度的最大允許值為0.8 μm，軸頸圓度和圓柱度誤差應(yīng)小于0.02 mm。外花鍵完整，無(wú)壓潰、缺損等缺陷，鍵槽中心線對(duì)軸中心線平行度誤差應(yīng)小于0.03 mm/100。

與軸承配合的軸頸不允許有影響配合要求的傷痕，配合尺寸精度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。配合部位銹蝕嚴(yán)重，打磨后安裝尺寸超差后，采用激光熔覆進(jìn)行焊接修復(fù)，建議采用不銹鋼焊絲，可提高軸的防銹性能。

2.2 離心泵葉輪檢測(cè)

葉輪表面應(yīng)無(wú)裂紋、破損等缺陷，葉輪流道表面應(yīng)光滑，且無(wú)結(jié)垢、毛刺。各級(jí)葉輪吸入口和排出口密封環(huán)無(wú)松動(dòng)，密封環(huán)表面光滑，無(wú)毛刺，表面粗糙度Ra的最大允許值為0.8 μm，與葉輪裝配間隙量應(yīng)為0.05～0.10 mm。以葉輪內(nèi)孔為基準(zhǔn)，檢查葉輪徑向跳動(dòng)應(yīng)不大于0.05 mm，端面跳動(dòng)不大于0.04 mm。葉輪與軸采用過(guò)盈配合，一般為H7/H6。鍵與鍵槽配合過(guò)盈量為0.09～0.12 mm，裝配后，鍵頂部間隙量就為0.04～0.07 mm。

2.3 泵頭、泵殼及導(dǎo)葉輪檢測(cè)

清洗并檢查各級(jí)葉輪，應(yīng)無(wú)磨損、裂紋、沖蝕等缺陷。導(dǎo)葉輪的防轉(zhuǎn)銷應(yīng)無(wú)彎曲、折斷和松動(dòng)。泵頭、泵殼密封環(huán)表面應(yīng)無(wú)麻點(diǎn)、傷痕、溝槽，表面粗糙度Ra的最大允許值為0.8 μm，密封環(huán)與泵頭、泵殼裝配間隙量為0.05～0.10 mm，密封環(huán)應(yīng)不松動(dòng)。以泵頭、泵殼止口為基準(zhǔn)，測(cè)量密封環(huán)內(nèi)孔徑向圓跳動(dòng)，其值不大于0.50 mm，端面圓跳動(dòng)應(yīng)不大于0.04 mm。測(cè)量泵頭、泵殼密封環(huán)與其裝配密封環(huán)之間的間隙量，其值應(yīng)在0.50～0.60 mm之間。

2.4 螺栓連接方面注意事項(xiàng)

連接螺栓不得彎曲，螺紋損傷不得超過(guò)螺紋工作高度的一半，且連續(xù)不得超過(guò)一周。連接件螺栓的螺紋旋入孔內(nèi)部分不得少于兩個(gè)螺距。同一部位的緊固件規(guī)格型號(hào)和強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)一致。螺栓再裝配過(guò)程中涂抹防銹劑，螺栓等級(jí)要求在8.8級(jí)以上，螺栓安裝到位后有可靠的防松裝置。

2.5 滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承的安裝

滾動(dòng)軸承內(nèi)圈端面應(yīng)緊靠軸向定位面。軸承熱裝時(shí)，其加熱溫度應(yīng)不高于90 ℃。軸承加注3#鋰基脂，軸承充油量為軸承空隙的2/3。

滑動(dòng)軸承要求軸瓦應(yīng)與軸配對(duì)刮研，軸瓦上點(diǎn)要求每平方英寸達(dá)7點(diǎn)以上。軸承與軸上部間隙應(yīng)在0.15～0.18 mm，側(cè)面單側(cè)間隙應(yīng)在0.075～0.090 mm之間。

2.6 填料密封件的安裝

檢查軸在密封部件處的徑向跳動(dòng)量，軸的允許徑向跳動(dòng)量在0.03～0.08 mm范圍內(nèi)。液封環(huán)與軸套的直徑間隙一般為1.00～1.50 mm，液封環(huán)與填料箱的直徑間隙一般為0.15～0.20 mm。填料壓蓋與軸套的直徑間隙一般為0.75～1.00 mm，四周間隙應(yīng)均勻。填料壓蓋與填料箱的直徑間隙一般為0.10～0.30 mm。有填料底環(huán)時(shí)，底環(huán)與軸套的直徑間隙一般為0.70～1.00 mm。填料壓緊后，液封環(huán)進(jìn)液孔應(yīng)與液封管對(duì)準(zhǔn)，或液封環(huán)稍偏向外側(cè)。對(duì)于成卷包裝的填料，用時(shí)先取一根與軸同尺寸的木棒，將填料纏繞其上，再用刀切斷，切口最好呈45°斜面。

2.7 整機(jī)裝配和試驗(yàn)

聯(lián)軸器調(diào)整：泵聯(lián)軸器與電機(jī)聯(lián)軸器之間應(yīng)有間隙。由于采用平衡盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式，所以泵轉(zhuǎn)子沿軸向方向有一定的串動(dòng)量。調(diào)整時(shí)應(yīng)將泵聯(lián)軸器盡量向外拉，拉到極限位置時(shí)，泵與電機(jī)的兩聯(lián)軸器端面之間應(yīng)保持一定的間隙，其間隙的均勻度可用塞尺測(cè)量，允差為0.06 mm。水泵與電機(jī)的軸線應(yīng)重合?？捎弥背咴趦陕?lián)軸器圓周各個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，兩聯(lián)軸器外圓表面與直尺間間隙允差0.08 mm。如不符規(guī)定的間隙要求，可用調(diào)整墊進(jìn)行調(diào)整到要求的間隙尺寸。結(jié)構(gòu)件內(nèi)、外各固定螺栓緊固時(shí)，力矩應(yīng)符合原設(shè)計(jì)要求。整體裝配后應(yīng)按廠家設(shè)計(jì)要求給泵體的前后軸承加注潤(rùn)滑脂平衡水管接頭處應(yīng)采取相關(guān)防漏水措施，緊固可靠。水封管部件安裝緊固，不得泄漏。

遵循試運(yùn)轉(zhuǎn)操作規(guī)程：試運(yùn)轉(zhuǎn)前應(yīng)先確認(rèn)離心泵潤(rùn)滑油(脂)清潔度符合要求。電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)，機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)后方可進(jìn)行空負(fù)荷試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，慢速、快速各正反轉(zhuǎn)不少于2 h。檢測(cè)水泵軸承溫度，滾動(dòng)軸承的工作溫度不應(yīng)超過(guò)環(huán)境溫度35 ℃，最高直接溫度不應(yīng)超過(guò)75 ℃。滑動(dòng)軸承的工作溫度不應(yīng)超過(guò)環(huán)境溫度30 ℃，最高直接溫度不應(yīng)超過(guò)70 ℃。填料室內(nèi)正常漏水程度，以每分鐘10～20滴為準(zhǔn)，否則，應(yīng)調(diào)整填料壓蓋。最后，檢查聯(lián)軸器無(wú)明顯震動(dòng)、卡滯現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

敘述了離心泵過(guò)流部位尺寸偏差對(duì)泵性能的影響，從中看出離心泵的性能取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量、制圖質(zhì)量、鑄件鑄造、機(jī)械加工質(zhì)量、裝配質(zhì)量等諸多因素，而且取決于它們的相互配合。任何一個(gè)給定的設(shè)計(jì)因素對(duì)泵的性能可能有很大的影響，也可能影響較小，至于影響的程度則取決于所有其他因素的相對(duì)重要性和相互配合協(xié)調(diào)，因而在新產(chǎn)品試制當(dāng)中發(fā)現(xiàn)性能有偏離標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，要具體分析查找原因，找出關(guān)鍵性因素。

離心泵在維修過(guò)程中，零部件的檢測(cè)和裝配細(xì)節(jié)如得到控制，完全可以將性能恢復(fù)到新出廠時(shí)的90%以上。把控每一步工藝工業(yè)，嚴(yán)格執(zhí)行裝配參數(shù)，也是提高離心泵性能的手段之一。以上泵過(guò)流部位尺寸偏差與幾何形狀偏差主要是由于熱工藝過(guò)程和工人操作過(guò)程，其次是機(jī)加工、裝配引起的偏差所造成的，再就是維修過(guò)程中檢測(cè)及裝配諸多因素，因而必須在鑄造工藝和維修過(guò)程中加強(qiáng)質(zhì)量控制、加強(qiáng)檢驗(yàn)，控制葉輪出口寬度和流道的幾何形狀，保證葉輪泵體、流道的清潔度和表面粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或降低表面粗糙度來(lái)提高泵的性能。