泊头市特种泵阀制造有限公司

KCB-633齿轮油泵叶轮抗汽蚀优化设计及叶轮材料

KCB-633齿轮油泵叶轮抗汽蚀优化设计及叶轮材料,我厂经过40年的严格制作,研制出KCB齿轮油泵主要有齿轮、轴、泵体、安全阀、轴端密封所组成。齿轮经热处理有较高的硬度和强度,与轴一同安装在可更换的轴套内运转。
    1、前言某乙烯公司循环油系统共有17台32SA-10C型齿轮油泵。96年开工以来该泵经常由于汽蚀，造成泵运行不平稳、振动、噪音偏大。更严重的是叶片发生汽蚀破坏时，泵无法继续运行。
    2、该齿轮油泵原始参数
    2.1、32SA-10C循环油泵的主要参数（1）流量：5040m3/h；（2）转速：730rpm；（3）温度：40℃；（4）介质：循环油；
    2.2、32SA-10C循环油泵的使用情况泵叶轮采用HT200灰口铸铁制造，正常使用时，运行不平稳，振动大，噪音大，运行半年，叶轮由入口边至叶片全长的三分之一处，汽蚀而全部穿孔，最大孔径为ф40mm，这时不得不停机更换新叶轮。
    3、KCB-633齿轮油泵叶轮优化措施
    3.1、KCB-633齿轮油泵汽蚀破坏的原理汽蚀是一种液体动力学现象，发生的根本原因在于液体在流动过程中出现了局部压力降，形成了低压区。当泵吸入口压力降低到该处相应温度下的饱和蒸汽压时，液体发生沸腾汽化，使原来流动的液流中出现大量气泡，气泡中包含着输送液体的蒸汽及少量原来溶解于液体中而逸出的空气。当气泡随同液流从低压区流向高压区时，气泡在周围高压液体的作用下，迅速缩小凝结而急剧地崩溃。由于蒸汽凝结过程进行得非常迅速与突然，结果在气泡消失的地方产生局部的真空，周围压力转变的液流非常迅速地从四周向真空空间冲挤而来，产生剧烈的油击，形成极大的冲击力。由于气泡的尺寸极微小，所以这种冲击力集中作用在与气泡接触的零件微小表面上，其压力可达数百个大气压以上，油击频率高达25000次/s.因而使材料壁面上受到高频高压力的重复载荷作用而逐渐产生疲劳破坏；同时，如果所产生的气泡中还夹杂有活泼气体（如氧气等），借助于气泡凝结时放出热量对金属起化学腐蚀作用，致使金属表面出现麻点以导致穿孔，严重时金属晶粒松动并剥落呈现出蜂巢状甚至把壁面蚀穿。这种气泡不断形成，生长和破裂崩溃，以致材料受到破坏的过程，总称为汽蚀现象。
    3.2、循环油泵优化方案
    3.2.1、优化叶轮参数
    由于现场工艺条件限制，乙烯公司循环油系统32SA-10C泵进口管路比较复杂，造成管路损失过大，叶轮进口存在明显压降，泵形成汽蚀。欲不使泵汽蚀，必须增大有效汽蚀余量NPSHa或减小泵汽蚀余量NPSHr，保证有效汽蚀余量NPSHa大于泵汽蚀余量NPSHr.但是有效汽蚀余量NPSHa的大小与装置参数及液体性质有关，而泵汽蚀余量NPSHr与装置参数无关，只与泵进口部分运动参数有关，泵进口部分运动参数在一定转速和流量下是由泵的几何参数决定的，也就是说，泵汽蚀余量NPSHr是由泵本身决定的。在进行了多方面比较权衡后，确定了下列改造方案：保持原泵壳、底座、管路等工艺条件不变，即不改变有效汽蚀余量NPSHa，而是按实际工艺流量重新设计叶轮，通过改变叶轮参数减小泵汽蚀余量NPSHr，来提高泵的抗汽蚀性能。
    3.2.2、优化叶轮的制造工艺和叶片材料
    原叶轮采用了铸铁整体铸造的方式，铸铁材料的晶粒结构不够致密，σs，σb都不够高，抗应力腐蚀能力不强，在发生汽蚀的情况下，容易快速形成汽蚀破坏；铸造叶片没有较高的锻造比，材料疏松，晶粒粗大，抗汽蚀性能明显低于锻造叶轮。基于上述原因，改变叶轮制造工艺及叶片材料，来提高泵的抗汽蚀性能。
    3.3、优化措施泵汽蚀余量：
式中：v0—叶片进口稍前的绝对速度；w0—叶片进口稍前的相对速度；λ—叶片口压降系数。
    要通过减小NPSHr值来提高泵本身的抗汽蚀性能，则必须通过减小v0、w0、λ来实现，在实际改造过程中，通过改变叶轮进口直径Dj和改变叶片进口角β1来达到这一目的。
    3.3.1、增大叶轮进口直径DJ
    设叶片进口圆周分速度VUI=0，由叶片进口稍前的速度三角形w02=v02+u02，有增大叶轮进口直径DJ，则圆周速度u0增大、V0减小，必存在一个DJ使二者平方和最小。现利用求导数方法求Dj：
显然增加K0可以减小V0，从而减小NPSHr，改进泵的抗汽蚀性能。但K0取的过大，液流在进口处的扩散严重，破坏了流动平顺和稳定性，形成旋涡使油力效率下降。另一方面，Dj增大，口环内径变大，口环的泄漏因泄漏过流面积增加而增大，使泵的容积效率下降。K0一般按下述原则选取：
    对要求具有高抗汽蚀性能的叶轮，取K0=4.5～5.5；
    对兼顾抗汽蚀性能和效率的叶轮，取K0=4.0～4.5；
    对于主要考虑提高效率的叶轮，取K0=3.5～4.0；
    对本设计而言，取k0=5.5.
选取叶轮进口直径：Dj=D0=538mm.
    3.3.2、改善吸入性能—改变叶片的进口角
    叶片进口角，通常都大于进口相对液流角，即β1＞β1′正冲角△β=β1-β1′。冲角值通常为△β=（3～10）°，个别情况大到15°。采用正冲角能提高抗汽蚀性能，而且对效率影响不大，其理由如下：（1）增大了叶片进口角β1，从而可以减小叶片的弯曲，增大叶片进口过流面积，减小叶片的排挤。这些因素都减小υ0和W0，提高泵的抗汽蚀性能。（2）采用正冲角，在设计流量下，液体在叶片进口背面产生脱流。因为背面是叶片间流道的低压侧，该脱流引起的旋涡不易向高压侧扩散，因而旋涡被控制在局部，对汽蚀的影响较小。反之，负冲角时液体在叶片工作面产生旋涡，该旋涡易于向低压侧扩散，对汽蚀的影响较大。在正冲角时，压降系数λ在很大正冲角范围内变化不大，在负冲角时，λ急剧上升。本次改造中适当增大了叶片进口角，使△β=12°。（3）泵的流量增加时，β1增大，采用正冲角可以避免泵在大流量下运转时出现负冲角。
    3.3.3、改变叶轮的制造工艺和叶片的材料
    采用焊接式叶轮，叶片、轮毂、盖板皆分开制造后焊接成整体。叶片选用σs，σb都较高的瑞典牌号3RE60双相不锈钢制造。叶轮盖板及轮毂均采用18-8.3RE60为瑞典Sandvik厂60年代初期开发的著名的耐应力腐蚀的双相不锈钢。这种Cr18型的双相不锈钢是目前合金元素含量最低，可焊性良好的耐应力腐蚀钢种。它在氯化物介质中的耐孔蚀性能同317L相当，耐中性氯化应力腐蚀性能显著优于普通18-8型奥氏体不锈钢，用于承受较低应力（≤σs）和较低浓度氯化物条件下的设备和部件，尤其耐以孔蚀为起源的应力腐蚀效果显著，它有较好的强度一韧性综合性能、冷热加工工艺性能及焊接性能，适用作结构材料。其机械性能如下：
    σb≥700Mpa，σ0.2≥450Mpa，δ5≥30%，ψ≥60，AK/J≥150J，HRC≥26.
    此种制造方法与铸造叶轮相比有以下几点优越性：①由于叶片材质3RE60的σs与σb都高，加上超低碳的抗蚀性能好，使得抗汽蚀能力明显增加。②叶片是锻材，保证比较高的锻造比，材料致密，晶粒细化，抗汽蚀性能优于铸造叶片。③在叶轮制造过程中，由于叶片处于敞开状态，可以对叶片进行整修，使得叶片光洁，解决了铸造叶片打磨困难，表面粗糙的问题，从而提高叶轮的抗汽蚀能力。④叶轮分开制造，叶片可以采用优良的材质，而叶轮盖板及轮毂可采用次之的材质，大大降低了叶轮的制造成本。
    4、抗汽蚀优化设计改造后使用效果通过选择适当的叶轮折引直径，改变叶轮入口角度来改善泵的吸入性能及改变叶轮的制造工艺和选择抗汽蚀性能好的双相不锈钢，较好解决了循环油泵叶轮汽蚀问题，新叶轮经车间使用后反映，运行平稳，噪声振动明显下降。而且改造后叶轮叶片的焊接性能好，可以对汽蚀缺陷进行修补后使用，大大提高叶轮使用寿命及节省检修时间及成本。为乙烯公司公用工程的安全运行创造了条件，取得明显的经济效益。