任振林 任紅玉

(白銀鴻浩化工機械制造有限公司)

在輸送海水或咸水時，一般不銹鋼泵壽命都比較短，用特殊不銹鋼泵時，成本很高，而且葉輪的磨損和腐蝕很嚴重，更換頻率高，為了降低成本，延長葉輪的使用壽命，近年來，用超高分子量聚乙烯代替不銹鋼制成的葉輪得到了大量使用，主要是因為超高分子量聚乙烯材料的葉輪具有以下優(yōu)點：重量輕，減少了軸承載荷和軸的撓度，增加了軸承和泵密封的使用壽命；優(yōu)異的表面彈性，提高了葉輪的抗汽蝕性能，特別是當泵的吸入條件不良的情況下，也能有效防止泵汽蝕，這特別適合船用泵，延長了葉輪的使用壽命；超高分子量聚乙烯有優(yōu)良的耐海水或咸水的性能，在船用泵上使用可能延長其使用壽命[1]；不導電的特性，在海水中使用時不會有電化學腐蝕；密度小，精密加工后可完全杜絕葉輪的不平衡量，使泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，延長了使用壽命；光滑的流道表面，減少流動邊界層的摩擦，提高了泵的效率和葉輪的水力性能；優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨性，使葉輪能夠長時間保證尺寸，從而使泵在工作點運行的時間增加，延長了泵的使用壽命。

超高分子量聚乙烯材料的葉輪雖然有以上優(yōu)點，但是實際使用過程中發(fā)現(xiàn)其有膨脹現(xiàn)象，在要求小間隙的地方，經(jīng)常會卡死，如為了保證泵的效率而減少容積損失、減少口環(huán)泄漏量，要求葉輪密封環(huán)配合間隙為0.2～0.3mm[2]。發(fā)生葉輪口環(huán)與泵殼口環(huán)卡死現(xiàn)象后，查資料未找到相應的膨脹數(shù)據(jù)，只是定性的描述為輕微膨脹。從設計角度來看是不夠的，因為不了解材料的膨脹特性，會使設計沒有理論依據(jù)，重要的一些配合尺寸無法確定，特別像影響泵性能的葉輪外徑、出口寬度等尺寸無法精確計算出來，同時由于膨脹會使葉輪無法從泵殼里拆出來，造成了泵的維護保養(yǎng)困難。綜上所述，有必要通過實驗對超高分子量聚乙烯葉輪的膨脹特性進行研究。

1 實驗研究

選擇一個超高分子量聚乙烯材料的葉輪放在容器的中心，加滿水，葉輪被完全浸沒，室溫下，不考慮季節(jié)對水溫的影響，做了為期343天的測試，選擇了5個測量時間點，測量時間點之間間隔為70天左右，主要測量的葉輪尺寸如圖1如示。為了便于測量，對葉輪行進了分解，前蓋板與后蓋板和葉片分開，葉片在后蓋板上(圖2)，同時建立空間從標系，軸向尺寸的變形量在z軸方向，徑向尺寸的變形量在x-y軸兩個方向。

對軸向尺寸LN的膨脹量百分比測試結(jié)果如圖3所示，徑向尺寸DL2的膨脹量百分比測試結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看到，大約在280天時，膨脹量趨于一個定值，說明膨脹結(jié)束。根據(jù)對所測尺寸的測試結(jié)果，進行平均計算，以280天時測試的結(jié)果為最大膨脹量百分比，繪制所有測試尺寸軸向各徑向在280天后的平均膨脹量百分比(圖5)，從圖5中可以看到x-y軸方向的徑向膨脹量百分比Qx-y=0.55%～0.6%，z軸方向的軸向變形量百分比Qz=2.0%～2.0375%。

圖1 實驗葉輪測試尺寸圖

圖2 葉輪坐標圖

圖3 葉輪軸向尺寸LN的膨脹量百分比

圖4 葉輪DL2尺寸膨脹量百分比

圖5 280天后葉輪的軸向和徑向平均變形量

對比上面結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸向膨脹量百分比大約是徑向膨脹量百分比的3.3倍，考慮到安全裕量，在設計葉輪時適當放大膨脹量百分比，因此，設計計算時，軸向和徑向的膨脹量百分比分別選擇為Qx-y=0.8%，Qz=2.2%。

2 設計實例

技術(shù)參數(shù)為揚程50m，流量25m3/h；輸送介質(zhì)為30%的NaCl溶液，介質(zhì)溫度為常溫；運行方式為連續(xù)運轉(zhuǎn)。

根據(jù)文獻[3]中的公式計算得到葉輪的主要尺寸為：葉輪外徑D2=202mm，口寬B=10mm，進口D1=65mm，根據(jù)強度設計前口環(huán)DL1=80mm，軸孔DB=25mm，軸孔長度LN=32mm，葉輪總的軸向長度BL=70mm，為了平衡軸向力，后口環(huán)與前口環(huán)的尺寸設計為一樣，后口環(huán)DL2=80mm，這是沒有膨脹的葉輪尺寸，通過上述的膨脹量百分比結(jié)論換算尺寸，由Ds=Ddry+Ddry·Qx-y，得Ddry=Ds/(1+Qx-y)，同理可得：

Ldry=Ls/(1+Qz)

式中Ddry——沒膨脹的徑向尺寸；

Ds——膨脹后的徑向尺寸；

Ldry——沒膨脹的軸向尺寸；

Ls——膨脹后的軸向尺寸；

Qx-y——取值為0.008；

Qz——取值為0.022。

把已知數(shù)據(jù)代入上式，可得到實際要設計的葉輪尺寸：D2dry=200.40mm，D1dry=64.48mm，DL1dry=79.37mm，DBdry=24.80mm，Bdry=9.79mm，LNdry=31.31mm，BLdry=68.49mm。

對泵性能影響較大的是葉輪外徑，根據(jù)文獻[2]可知泵的揚程為：

H=Ψ·u22/2g

式中D——葉輪外徑；

g——重力加速度，m/s2；

H——揚程，m；

n——轉(zhuǎn)速；

u2——圓周速度，u2=Dπn/60，m/s；

Ψ——系數(shù)。

因為是同一臺泵，所以Ψ、n值是相同的，則：

Hdry=D2dry2·constant

Hs=D2s2·constant

Hdry/Hs=(D2dry/D2s)2=(200.4/202)2=0.98

這就意味著，泵剛開始運行時揚程要比實際需要少2%，運行一段時間后，葉輪達到一定的膨脹量，揚程才能達到設計值，根據(jù)文獻[4]可知，通常泵的2級實驗揚程的允許變動量為2%，所以根據(jù)標準，泵性能是合格的。

對該泵進行現(xiàn)場實驗跟蹤，從記錄中發(fā)現(xiàn)，剛開始運行時，若設計點揚程相差1m，則效率低一個百分點，當運行到280天后，效率達到了設計值，這就說明，剛開始運行時，由于密封環(huán)間隙太大，泄漏量增加，影響了泵的效率[5]，當運行一段時間后，葉輪口環(huán)膨脹，使葉輪密封環(huán)與泵殼密封環(huán)之間的間隙達到設計值，從而提高效率，這與上述實驗結(jié)果基本相符合。

3 結(jié)束語

對超高分子量聚乙烯材料的葉輪進行設計時，一定要考慮膨脹現(xiàn)象，否則運行一段時間會出現(xiàn)故障，損壞葉輪。筆者所做的實驗是在理想條件下進行的，如果要在實際工況下實驗，會增大難度和成本支出，但通過修正實驗結(jié)果，經(jīng)過現(xiàn)場驗證，結(jié)論基本是準確的，可作為超高分子量聚乙烯材料的葉輪設計時膨脹量的依據(jù)。

[1] 張玉龍.塑料品種與性能手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[2] 關醒凡.現(xiàn)代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011.

[3] 陳乃祥，吳玉林，劉娟，等.葉片泵設計與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4] GB/T 3216-2005，回轉(zhuǎn)動力泵水力性能試驗1級和2級[S].北京：中國標準出版社，2005.

[5] 何希杰，勞學蘇.離心泵效率計算若干公式評價[J].水泵技術(shù)，2009，(6)：16～19.