KCB-633齒輪油泵葉輪抗汽蝕優化設計及葉輪材料

KCB-633齒輪油泵葉輪抗汽蝕優化設計及葉輪材料,我廠經過40年的嚴格制作,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。齒輪經熱處理有較高的硬度和強度,與軸一同安裝在可更換的軸套內運轉。
    1、前言某乙烯公司循環油系統共有17臺32SA-10C型齒輪油泵。96年開工以來該泵經常由于汽蝕，造成泵運行不平穩、振動、噪音偏大。更嚴重的是葉片發生汽蝕破壞時，泵無法繼續運行。
    2、該齒輪油泵原始參數
    2.1、32SA-10C循環油泵的主要參數（1）流量：5040m3/h；（2）轉速：730rpm；（3）溫度：40℃；（4）介質：循環油；
    2.2、32SA-10C循環油泵的使用情況泵葉輪采用HT200灰口鑄鐵制造，正常使用時，運行不平穩，振動大，噪音大，運行半年，葉輪由入口邊至葉片全長的三分之一處，汽蝕而全部穿孔，最大孔徑為ф40mm，這時不得不停機更換新葉輪。
    3、KCB-633齒輪油泵葉輪優化措施
    3.1、KCB-633齒輪油泵汽蝕破壞的原理汽蝕是一種液體動力學現象，發生的根本原因在于液體在流動過程中出現了局部壓力降，形成了低壓區。當泵吸入口壓力降低到該處相應溫度下的飽和蒸汽壓時，液體發生沸騰汽化，使原來流動的液流中出現大量氣泡，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。當氣泡隨同液流從低壓區流向高壓區時，氣泡在周圍高壓液體的作用下，迅速縮小凝結而急劇地崩潰。由于蒸汽凝結過程進行得非常迅速與突然，結果在氣泡消失的地方產生局部的真空，周圍壓力轉變的液流非常迅速地從四周向真空空間沖擠而來，產生劇烈的油擊，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，其壓力可達數百個大氣壓以上，油擊頻率高達25000次/s.因而使材料壁面上受到高頻高壓力的重復載荷作用而逐漸產生疲勞破壞；同時，如果所產生的氣泡中還夾雜有活潑氣體（如氧氣等），借助于氣泡凝結時放出熱量對金屬起化學腐蝕作用，致使金屬表面出現麻點以導致穿孔，嚴重時金屬晶粒松動并剝落呈現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，總稱為汽蝕現象。
    3.2、循環油泵優化方案
    3.2.1、優化葉輪參數
    由于現場工藝條件限制，乙烯公司循環油系統32SA-10C泵進口管路比較復雜，造成管路損失過大，葉輪進口存在明顯壓降，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的大小與裝置參數及液體性質有關，而泵汽蝕余量NPSHr與裝置參數無關，只與泵進口部分運動參數有關，泵進口部分運動參數在一定轉速和流量下是由泵的幾何參數決定的，也就是說，泵汽蝕余量NPSHr是由泵本身決定的。在進行了多方面比較權衡后，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，而是按實際工藝流量重新設計葉輪，通過改變葉輪參數減小泵汽蝕余量NPSHr，來提高泵的抗汽蝕性能。
    3.2.2、優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，鑄鐵材料的晶粒結構不夠致密，σs，σb都不夠高，抗應力腐蝕能力不強，在發生汽蝕的情況下，容易快速形成汽蝕破壞；鑄造葉片沒有較高的鍛造比，材料疏松，晶粒粗大，抗汽蝕性能明顯低于鍛造葉輪。基于上述原因，改變葉輪制造工藝及葉片材料，來提高泵的抗汽蝕性能。
    3.3、優化措施泵汽蝕余量：
式中：v0—葉片進口稍前的絕對速度；w0—葉片進口稍前的相對速度；λ—葉片口壓降系數。
    要通過減小NPSHr值來提高泵本身的抗汽蝕性能，則必須通過減小v0、w0、λ來實現，在實際改造過程中，通過改變葉輪進口直徑Dj和改變葉片進口角β1來達到這一目的。
    3.3.1、增大葉輪進口直徑DJ
    設葉片進口圓周分速度VUI=0，由葉片進口稍前的速度三角形w02=v02+u02，有增大葉輪進口直徑DJ，則圓周速度u0增大、V0減小，必存在一個DJ使二者平方和最小。現利用求導數方法求Dj：
顯然增加K0可以減小V0，從而減小NPSHr，改進泵的抗汽蝕性能。但K0取的過大，液流在進口處的擴散嚴重，破壞了流動平順和穩定性，形成旋渦使油力效率下降。另一方面，Dj增大，口環內徑變大，口環的泄漏因泄漏過流面積增加而增大，使泵的容積效率下降。K0一般按下述原則選取：
    對要求具有高抗汽蝕性能的葉輪，取K0=4.5～5.5；
    對兼顧抗汽蝕性能和效率的葉輪，取K0=4.0～4.5；
    對于主要考慮提高效率的葉輪，取K0=3.5～4.0；
    對本設計而言，取k0=5.5.
選取葉輪進口直徑：Dj=D0=538mm.
    3.3.2、改善吸入性能—改變葉片的進口角
    葉片進口角，通常都大于進口相對液流角，即β1＞β1′正沖角△β=β1-β1′。沖角值通常為△β=（3～10）°，個別情況大到15°。采用正沖角能提高抗汽蝕性能，而且對效率影響不大，其理由如下：（1）增大了葉片進口角β1，從而可以減小葉片的彎曲，增大葉片進口過流面積，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，在設計流量下，液體在葉片進口背面產生脫流。因為背面是葉片間流道的低壓側，該脫流引起的旋渦不易向高壓側擴散，因而旋渦被控制在局部，對汽蝕的影響較小。反之，負沖角時液體在葉片工作面產生旋渦，該旋渦易于向低壓側擴散，對汽蝕的影響較大。在正沖角時，壓降系數λ在很大正沖角范圍內變化不大，在負沖角時，λ急劇上升。本次改造中適當增大了葉片進口角，使△β=12°。（3）泵的流量增加時，β1增大，采用正沖角可以避免泵在大流量下運轉時出現負沖角。
    3.3.3、改變葉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60年代初期開發的著名的耐應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，可焊性良好的耐應力腐蝕鋼種。它在氯化物介質中的耐孔蝕性能同317L相當，耐中性氯化應力腐蝕性能顯著優于普通18-8型奧氏體不銹鋼，用于承受較低應力（≤σs）和較低濃度氯化物條件下的設備和部件，尤其耐以孔蝕為起源的應力腐蝕效果顯著，它有較好的強度一韌性綜合性能、冷熱加工工藝性能及焊接性能，適用作結構材料。其機械性能如下：
    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優越性：①由于葉片材質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，晶粒細化，抗汽蝕性能優于鑄造葉片。③在葉輪制造過程中，由于葉片處于敞開狀態，可以對葉片進行整修，使得葉片光潔，解決了鑄造葉片打磨困難，表面粗糙的問題，從而提高葉輪的抗汽蝕能力。④葉輪分開制造，葉片可以采用優良的材質，而葉輪蓋板及輪轂可采用次之的材質，大大降低了葉輪的制造成本。
    4、抗汽蝕優化設計改造后使用效果通過選擇適當的葉輪折引直徑，改變葉輪入口角度來改善泵的吸入性能及改變葉輪的制造工藝和選擇抗汽蝕性能好的雙相不銹鋼，較好解決了循環油泵葉輪汽蝕問題，新葉輪經車間使用后反映，運行平穩，噪聲振動明顯下降。而且改造后葉輪葉片的焊接性能好，可以對汽蝕缺陷進行修補后使用，大大提高葉輪使用壽命及節省檢修時間及成本。為乙烯公司公用工程的安全運行創造了條件，取得明顯的經濟效益。