離心泵葉輪車削系數(shù)和最大車削量研究

張 超

（江西晶昊鹽化有限公司，江西 宜春 331200）

離心泵的運(yùn)行存在合理的工作范圍，以泵效率下降5%～8%為界，在該范圍內(nèi)，離心泵的運(yùn)行效率下降幅度不大。但在實際運(yùn)行中，當(dāng)工作點(diǎn)處于泵原有性能曲線以下時，則可以通過改變離心泵葉輪車削系數(shù)或葉輪外徑來擴(kuò)大工作范圍。離心泵葉輪車削系數(shù)存在一定限值，并且和轉(zhuǎn)速、葉輪外徑有直接聯(lián)系。離心泵葉輪車削系數(shù)過度往往會降低泵運(yùn)行效率，在實際運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)配套電機(jī)組超電流，甚至斷軸、電機(jī)燒毀的情況。所以，必須掌握離心泵葉輪在滿足泵運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)前提下的最優(yōu)離心泵葉輪車削系數(shù)以及最大車削量。

1 工程概況

江西晶昊鹽化有限公司生產(chǎn)車間（鹽硝）中的P-502泵多次出現(xiàn)斷軸情況。P-502泵實行單泵運(yùn)行方案，主要是將甩后液打到CP-205下循環(huán)管內(nèi)實現(xiàn)循環(huán)。通過對P-502泵進(jìn)行故障分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致斷軸的主要原因是長期高負(fù)荷運(yùn)行，泵軸無法承受工作負(fù)荷。技術(shù)人員經(jīng)過討論，決定車削葉輪，以降低運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)。

離心泵葉輪主要依靠三相異步電動機(jī)提供能源實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速達(dá)到一定范圍時就會產(chǎn)生離心力，帶動料液旋轉(zhuǎn)，生成動能，在離心力的作用下，液體從后方?jīng)_出形成揚(yáng)程。P-502泵葉輪選型較大，在長期運(yùn)行中，流量、揚(yáng)程有時會超出實際需求。較大的葉輪會給泵軸帶來巨大的負(fù)荷，產(chǎn)生金屬疲勞等現(xiàn)象，增加了斷軸發(fā)生率，給車間生產(chǎn)帶來了巨大的麻煩。所以，為了確保P-502泵的正常運(yùn)行，在確保流量、揚(yáng)程滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將葉輪多余部分削除，降低整體負(fù)荷量。

2 車削原理

在離心泵葉輪車削系數(shù)固定的情況下，只會有一條揚(yáng)程曲線。為了解決上述問題、擴(kuò)大工作范圍，可以采取車削葉輪外徑方案，使其工作范圍形成一個面，包括車削葉輪前后特性曲線、車削外徑切割線。根據(jù)車削定律，可以表達(dá)車削葉輪前后參數(shù)變化關(guān)系，結(jié)合以下公式[1]：

由公式可知，葉輪車削前后的流量、揚(yáng)程、軸功率的比值，與車削前后外徑一次方、二次方、三次方之比相等。

3 離心泵葉輪車削系數(shù)與最大車削量的關(guān)系

影響離心泵葉輪車削系數(shù)的因素主要包括比轉(zhuǎn)數(shù)、效率，在其他參數(shù)一定的情況下，轉(zhuǎn)數(shù)、效率與葉輪直徑有關(guān)。

3.1 車削量與比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系

相似理論中的一個分支就是比轉(zhuǎn)數(shù)理論，比轉(zhuǎn)數(shù)是一個形似準(zhǔn)則數(shù)，在離心泵運(yùn)行工況十分接近的情況下，比轉(zhuǎn)數(shù)大致相等。然而，在相同離心泵、不同工況下，比轉(zhuǎn)數(shù)差異較大。一般采用最佳工況點(diǎn)的比轉(zhuǎn)數(shù)作為離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值ns，而ns會直接受到流量Q（m3/s）、揚(yáng)程H（m）、轉(zhuǎn)速n（r/min）的影響。葉輪車削量與葉輪比轉(zhuǎn)數(shù)有直接聯(lián)系，葉輪車削量與比轉(zhuǎn)數(shù)成反比，比轉(zhuǎn)數(shù)減少則葉輪車削量增加，如果標(biāo)準(zhǔn)比轉(zhuǎn)數(shù)在350以上，就會對運(yùn)行效率造成較大影響，所以，通常不允許繼續(xù)車削。

3.2 葉輪車削系數(shù)與效率的關(guān)系

離心泵運(yùn)行效率=有效功率Ne/軸功率Nz。離心泵在運(yùn)行中會出現(xiàn)多種損失，理論上泵有效功率會一直小于軸功率，因此，泵效率值在0～1范圍內(nèi)。軸功率－有效功率=損失功率，因此，只有最大限度地降低泵損失功率，才可以提升運(yùn)行效率。離心泵的損失功率主要有機(jī)械損失、容積損失、水力損失3個方面。葉輪車削后對水力損失、容積損失影響不大，主要影響葉輪的機(jī)械損失，而機(jī)械損失又可以劃分為兩個方面：（1）軸承、軸封摩擦損失。葉輪車削不會涉及水泵轉(zhuǎn)速，所以，將其損失視為常量。（2）圓盤摩擦損失。離心泵的葉輪需要在將水中運(yùn)行，而液體帶有阻力，與葉輪表面接觸會產(chǎn)生摩擦損失量，所以，主要根據(jù)該損失參數(shù)進(jìn)行實驗，將其稱為圓盤摩擦損失。葉輪摩擦的主要損失就是圓盤摩擦損失，特別是在離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)低的情況下，做好圓盤摩擦損失控制尤為重要[2]。圓盤摩擦損失量受到多種因素影響，對于普通的整體鑄造葉輪，主要根據(jù)以下公式計算圓盤摩擦損失量Pm：

式中，Pm表示圓盤摩擦損失量；K表示圓盤摩擦損失功率系數(shù)；y為密度；u為圓周速度；D2為葉輪直徑。

通過公式計算得知，圓盤摩擦損失量與葉輪直徑D2的5次方成正比，所以，葉輪車削量會直接影響圓盤摩擦損失量。通過實踐分析，當(dāng)ns在60～120范圍內(nèi)時，按行業(yè)給定范圍車削葉輪半徑，泵效率降低幅度非常小，但也要注意行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中允許車削葉輪直徑最大值并非最佳數(shù)值。在車削量與最大數(shù)值接近時，泵運(yùn)行效率會有所降低，并且較為明顯，所以，在車削葉輪展開水泵性能調(diào)節(jié)中，必須足夠謹(jǐn)慎，盡可能貼近最佳數(shù)值，不能一味地考慮離心泵的流量Q和揚(yáng)程H等要求，而不顧水泵效率，必須把握好限度。車削量大小要根據(jù)泵比轉(zhuǎn)數(shù)來確定。

如果離心泵葉輪實際車削量大于最大車削量，按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行葉輪車削勢必會降低效率，改變流量、揚(yáng)程、軸功率等參數(shù)。離心泵葉輪直徑要按照泵比轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行車削，并與泵效率下降有一定關(guān)系。

4 離心泵葉輪車削方案

4.1 車削前論證

4.1.1 葉輪車削后流量是否滿足負(fù)荷系統(tǒng)需求

在機(jī)組負(fù)荷不到220 MW時，離心泵處于停運(yùn)狀態(tài)，僅憑離心泵壓力即可克服系統(tǒng)阻力，系統(tǒng)水流量可以達(dá)標(biāo)，此時，泵出口壓力可達(dá)1.0 MPa。機(jī)組負(fù)荷在220 MW以上時，啟動離心泵，水系統(tǒng)壓力提升，為泵提供的壓力最少可降低0.9 MPa，此時，泵性能曲線工作點(diǎn)會向右轉(zhuǎn)移，輸出流量增加到滿負(fù)荷所需流量值。通常泵出口壓力在2.0 MPa左右，即可有效地克服系統(tǒng)阻力，滿足機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行流量需求。所以，葉輪車削不會對系統(tǒng)流量造成明顯影響[3]。

4.1.2 離心泵葉輪車削量確定

離心泵主要是中比轉(zhuǎn)速，葉輪車削量通常不超過外徑15.0%（至少保留85.0%），在葉輪出口外緣處于葉輪室出口喉部位置時，才能夠計算出葉輪最大的車削量，因此，要結(jié)合公式計算，判定車削后壓力是否能夠達(dá)到2.0 MPa。

4.1.3 車削后電機(jī)電流降幅

在離心泵運(yùn)行過程中，水系統(tǒng)流量控制主要憑借流量閥門，讓泵處于實時調(diào)節(jié)狀態(tài)。計算葉輪車削量以及功率降幅，需要著重考慮系統(tǒng)管道節(jié)流情況，整個流程需要對比葉輪車削前后電流，得到電流降幅信息。

4.2 車削方案

為了保證離心泵的正常車削，在保證葉輪運(yùn)行負(fù)荷合理的基礎(chǔ)上，確保流量、揚(yáng)程達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。在保持離心泵轉(zhuǎn)速不變的基礎(chǔ)上，車削葉輪外徑、性能計算公式為[4]：

式中，D2和D`2分別為車削前后的葉輪外徑（mm）；Qv和Q`v分別為車削葉輪前后離心泵的流量（m3/s）；H和H`分別為車削葉輪前后離心泵的揚(yáng)程（m）。

P-502葉輪在車削前的直徑為410.0 mm，流量為45.0 m3/h，揚(yáng)程為50.0 m。根據(jù)上述公式計算，葉輪車削后的直徑為390.0 mm，流量為42.8 m3/h，揚(yáng)程為45.2 m。在P-502葉輪完成車削之后，依然可以滿足生產(chǎn)流量、揚(yáng)程的需求，流量、揚(yáng)程有所降低后，泵軸負(fù)荷系數(shù)也明顯減少，后續(xù)使用也沒有出現(xiàn)斷軸情況。實現(xiàn)了離心泵的平穩(wěn)、均衡、連續(xù)生產(chǎn)目標(biāo)，增加了有效生產(chǎn)時間，產(chǎn)能也有所提升。

5 結(jié)語

在離心泵葉輪車削過程中，必須嚴(yán)格地計算、論證，在確保離心泵葉輪規(guī)格滿足流量、揚(yáng)程需求的基礎(chǔ)上，最大限度地降低離心泵軸運(yùn)行荷載，保證離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性。在葉輪車削中，車削量不宜過大或過小，要通過提前計算比轉(zhuǎn)數(shù)來確定，如果葉輪比轉(zhuǎn)數(shù)較小，可以適當(dāng)增加葉輪車削量；反之，適當(dāng)減少車削量。此外，由于葉輪在運(yùn)行中會產(chǎn)生圓盤摩擦，葉輪直徑隨著使用時間的延長受到的磨蝕變小，在電機(jī)功率計算中也要注意葉輪車削造成的泵效率下降，在降低泵效率值的同時，預(yù)留一定的電動機(jī)富裕系數(shù)，保證離心泵的正常運(yùn)行。