KCB-633齒輪油泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)及葉輪材料

KCB-633齒輪油泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)及葉輪材料,我廠經(jīng)過(guò)40年的嚴(yán)格制作,研制出KCB齒輪油泵主要有齒輪、軸、泵體、安全閥、軸端密封所組成。齒輪經(jīng)熱處理有較高的硬度和強(qiáng)度,與軸一同安裝在可更換的軸套內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。
    1、前言某乙烯公司循環(huán)油系統(tǒng)共有17臺(tái)32SA-10C型齒輪油泵。96年開(kāi)工以來(lái)該泵經(jīng)常由于汽蝕，造成泵運(yùn)行不平穩(wěn)、振動(dòng)、噪音偏大。更嚴(yán)重的是葉片發(fā)生汽蝕破壞時(shí)，泵無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。
    2、該齒輪油泵原始參數(shù)
    2.1、32SA-10C循環(huán)油泵的主要參數(shù)（1）流量：5040m3/h；（2）轉(zhuǎn)速：730rpm；（3）溫度：40℃；（4）介質(zhì)：循環(huán)油；
    2.2、32SA-10C循環(huán)油泵的使用情況泵葉輪采用HT200灰口鑄鐵制造，正常使用時(shí)，運(yùn)行不平穩(wěn)，振動(dòng)大，噪音大，運(yùn)行半年，葉輪由入口邊至葉片全長(zhǎng)的三分之一處，汽蝕而全部穿孔，最大孔徑為ф40mm，這時(shí)不得不停機(jī)更換新葉輪。
    3、KCB-633齒輪油泵葉輪優(yōu)化措施
    3.1、KCB-633齒輪油泵汽蝕破壞的原理汽蝕是一種液體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，發(fā)生的根本原因在于液體在流動(dòng)過(guò)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)生沸騰汽化，使原來(lái)流動(dòng)的液流中出現(xiàn)大量氣泡，氣泡中包含著輸送液體的蒸汽及少量原來(lái)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)而急劇地崩潰。由于蒸汽凝結(jié)過(guò)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)變的液流非常迅速地從四周向真空空間沖擠而來(lái)，產(chǎn)生劇烈的油擊，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，油擊頻率高達(dá)25000次/s.因而使材料壁面上受到高頻高壓力的重復(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(duì)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(zhǎng)和破裂崩潰，以致材料受到破壞的過(guò)程，總稱為汽蝕現(xiàn)象。
    3.2、循環(huán)油泵優(yōu)化方案
    3.2.1、優(yōu)化葉輪參數(shù)
    由于現(xiàn)場(chǎng)工藝條件限制，乙烯公司循環(huán)油系統(tǒng)32SA-10C泵進(jìn)口管路比較復(fù)雜，造成管路損失過(guò)大，葉輪進(jìn)口存在明顯壓降，泵形成汽蝕。欲不使泵汽蝕，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NPSHa大于泵汽蝕余量NPSHr.但是有效汽蝕余量NPSHa的大小與裝置參數(shù)及液體性質(zhì)有關(guān)，而泵汽蝕余量NPSHr與裝置參數(shù)無(wú)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(shuō)，泵汽蝕余量NPSHr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NPSHa，而是按實(shí)際工藝流量重新設(shè)計(jì)葉輪，通過(guò)改變?nèi)~輪參數(shù)減小泵汽蝕余量NPSHr，來(lái)提高泵的抗汽蝕性能。
    3.2.2、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)生汽蝕的情況下，容易快速形成汽蝕破壞；鑄造葉片沒(méi)有較高的鍛造比，材料疏松，晶粒粗大，抗汽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(lái)提高泵的抗汽蝕性能。
    3.3、優(yōu)化措施泵汽蝕余量：
式中：v0—葉片進(jìn)口稍前的絕對(duì)速度；w0—葉片進(jìn)口稍前的相對(duì)速度；λ—葉片口壓降系數(shù)。
    要通過(guò)減小NPSHr值來(lái)提高泵本身的抗汽蝕性能，則必須通過(guò)減小v0、w0、λ來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際改造過(guò)程中，通過(guò)改變?nèi)~輪進(jìn)口直徑Dj和改變?nèi)~片進(jìn)口角β1來(lái)達(dá)到這一目的。
    3.3.1、增大葉輪進(jìn)口直徑DJ
    設(shè)葉片進(jìn)口圓周分速度VUI=0，由葉片進(jìn)口稍前的速度三角形w02=v02+u02，有增大葉輪進(jìn)口直徑DJ，則圓周速度u0增大、V0減小，必存在一個(gè)DJ使二者平方和最小。現(xiàn)利用求導(dǎo)數(shù)方法求Dj：
顯然增加K0可以減小V0，從而減小NPSHr，改進(jìn)泵的抗汽蝕性能。但K0取的過(guò)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，形成旋渦使油力效率下降。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(guò)流面積增加而增大，使泵的容積效率下降。K0一般按下述原則選?。?
    對(duì)要求具有高抗汽蝕性能的葉輪，取K0=4.5～5.5；
    對(duì)兼顧抗汽蝕性能和效率的葉輪，取K0=4.0～4.5；
    對(duì)于主要考慮提高效率的葉輪，取K0=3.5～4.0；
    對(duì)本設(shè)計(jì)而言，取k0=5.5.
選取葉輪進(jìn)口直徑：Dj=D0=538mm.
    3.3.2、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(duì)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汽蝕性能，而且對(duì)效率影響不大，其理由如下：（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(guò)流面積，減小葉片的排擠。這些因素都減小υ0和W0，提高泵的抗汽蝕性能。（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)，該脫流引起的旋渦不易向高壓側(cè)擴(kuò)散，因而旋渦被控制在局部，對(duì)汽蝕的影響較小。反之，負(fù)沖角時(shí)液體在葉片工作面產(chǎn)生旋渦，該旋渦易于向低壓側(cè)擴(kuò)散，對(duì)汽蝕的影響較大。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。
    3.3.3、改變?nèi)~輪的制造工藝和葉片的材料
    采用焊接式葉輪，葉片、輪轂、蓋板皆分開(kāi)制造后焊接成整體。葉片選用σs，σb都較高的瑞典牌號(hào)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60年代初期開(kāi)發(fā)的著名的耐應(yīng)力腐蝕的雙相不銹鋼。這種Cr18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。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)度一韌性綜合性能、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)械性能如下：
    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，使得抗汽蝕能力明顯增加。②葉片是鍛材，保證比較高的鍛造比，材料致密，晶粒細(xì)化，抗汽蝕性能優(yōu)于鑄造葉片。③在葉輪制造過(guò)程中，由于葉片處于敞開(kāi)狀態(tài)，可以對(duì)葉片進(jìn)行整修，使得葉片光潔，解決了鑄造葉片打磨困難，表面粗糙的問(wèn)題，從而提高葉輪的抗汽蝕能力。④葉輪分開(kāi)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質(zhì)，大大降低了葉輪的制造成本。
    4、抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后使用效果通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)娜~輪折引直徑，改變?nèi)~輪入口角度來(lái)改善泵的吸入性能及改變?nèi)~輪的制造工藝和選擇抗汽蝕性能好的雙相不銹鋼，較好解決了循環(huán)油泵葉輪汽蝕問(wèn)題，新葉輪經(jīng)車間使用后反映，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(duì)汽蝕缺陷進(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。為乙烯公司公用工程的安全運(yùn)行創(chuàng)造了條件，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。