水泵叶轮抗汽蚀优化设计及材质

于锡平

（沈阳水泵制造有限公司，辽宁 沈阳 110141）

水泵叶轮抗汽蚀优化设计及材质

于锡平

（沈阳水泵制造有限公司，辽宁 沈阳 110141）

离心泵发生气蚀，叶轮会遭受气蚀破坏。本文简要提出叶轮提高抗汽蚀性能优化依据，同时介绍了改善叶轮设计、提高离心泵抗气蚀性能的传统措施和最新方法以及双相不锈钢的应用，指出焊接叶轮在离心泵运行中具有实际应用价值。

汽蚀；优化；双相不锈钢；叶轮

0 引言

我们曾提供吉林某电厂用于循环水系统的SA型泵，其中一台经常因汽蚀而使泵运行不稳定、振动、功耗大、噪音偏大。当泵无法正常运行时，叶轮已汽蚀穿孔，不可续用。

1 汽蚀破坏的原理及防止发生汽蚀的方法

汽蚀是一种液体动力学现象，发生的根本原因在于液体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，液体发生沸腾气化，使原来流动的液流中出现大量的气泡，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的崩溃。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的从四周向真空空间冲挤而来，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，水击频率高达25000次/s。因而使材料壁面上受到高频高压的重负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，总称为气蚀现象。

新提出的提高抗气蚀性能的方法：1）采用长短叶片形式的叶轮，2）叶轮出口宽度适当增加，3）采用适当的叶片数量。

2 循环水泵优化方案

2.1 优化叶轮参数

由于现场工艺条件限制，电厂循环水系统SA泵进口管路连接复杂，造成管路损失过大，叶轮进口存在明显压降，泵形成汽蚀。预不使泵气蚀，必须增大有效汽蚀余量NPSHa或减小泵汽蚀余量NPSHr,保证有效汽蚀余量大于泵汽蚀余量。但是有效汽蚀余量的大小与装置参数及液体性质有关，而泵汽蚀余量与装置参数无关，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,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来提高泵的抗气蚀性能。

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，在发生气蚀的情况下，容易快速形成气蚀破坏，铸造叶片没有较高的锻造比，材料疏松，晶粒粗大，抗气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，来提高泵的抗气蚀性能。

2.3 优化措施

式中：u0-叶片进口稍前的绝对速度，ω0-叶片进口稍前的相对速度，λ-叶片进口压降系数。

要通过减小NPSHr值来提高泵本身的抗气蚀性能，则必须通过减小 u0、ω0、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来达到这个目的。

2.3.1 增大叶轮进口直径Dj

设叶片进口圆周分速度Vu1=0，由叶片进口稍前的速度三角形ω02=υ02+u02,如增大叶轮进口直径Dj，则圆周速度u0增大、υ0减小，必存在一个Dj使二者平方和最小。由公式：

式中：k1和k2-修正系数，dh-叶轮轮毂直径。

根据推导结果，可设D02=Dj2-dh2D0称为叶轮进口折引直径，当dh=0时，D0=Dj。

D0=k0(Q/n)1/3，k0-设计取值系数，n-转速（r/min）Q-流量(m3/s)，对双吸泵取Q/2。

显然增加k0可以减小υ0，从而减小NPSHr，改进泵的抗气蚀性能。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，形成漩涡使水力效率下降。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ηv下降。原则上k0一般按下述选取：

要求有高抗气蚀性能的叶轮，取K0=4.5-5.5

要求兼顾抗气蚀性能和效率的叶轮，取K0=4.0-4.5

要求主要考虑提高效率的叶轮，取K0=3.5-4.0

在本次改造设计中，我们取K0=5.5，这是符合高抗汽蚀性能的叶轮。

2.3.2 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气蚀性能，而且对效率影响不大，其理由：（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ω0，提高泵的抗气蚀性能。（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，该脱流引起的漩涡不易向高压侧扩散，因而漩涡被控制在局部，对气蚀的影响较小。反之，负冲角时液体在叶片工作面产生漩涡，该漩涡易于向低压侧扩散，对气蚀的影响较大。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。

2.3.3 改变叶片的制造工艺和叶片材料

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20世纪60年代初期开发的著名的耐应力腐蚀的双相不锈钢。这种022Cr18Ni5Mo3Si2N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。在化学工业中，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-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，使得抗气蚀能力明显增加。（2）叶片是锻材，保证比较高的锻造比，材料致密，晶粒细化，抗气蚀性能优于铸造叶片。（3）在叶片制造过程中，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，表面粗糙度的问题，从而提高叶轮的抗气蚀能力。（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料，大大降低了叶轮的制造成本。

3 抗气蚀优化设计改造后使用效果

通过选择适当的叶轮入口直径，改变叶片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气蚀性能好的双相不锈钢，较好解决了循环水泵叶轮气蚀问题，新叶轮经使用后反映，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，可以对气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。为电厂安全运行创造了条件，取得明显的经济效益。

杨玉洁］