淺談提高離心水泵性能的有效途徑

張曉東

(神東煤炭集團設備維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

目前中國各個煤礦使用的各種型號的離心水泵有幾千臺，離心泵的效率和耗電率對企業和社會非常重要，直接關系到排水效率和成本管控工作[1-2]。對于維修廠來說，也是一項應該特別重視的頭等大事。如果單靠設計好的產品圖樣，忽略維修工藝的影響，沒有相應的技術工藝措施來保證，是不可能維修出性能優良的節能產品。因而必須盡力采用新工藝、新技術，最大限度減少維修失誤，提高水泵的性能和使用壽命。

1 提高離心泵性能的注意事項

在開發研究中因水力模型繪圖、制作樣板、模具生產的操作不當等因素使積累誤差嚴重超差，使得水泵的過流部位幾何形狀尺寸偏差與設計值不符、偏差較大，在水泵測試中，泵的性能偏離設計要求較大，設計點嚴重漂移[3-5]。根據實驗中實測的性能曲線與設計的標準性能曲線相對比，按照性能偏離設計點的不同程度，檢查過流部位尺寸偏差，決定以修校原水利模型幾何尺寸，來校正性能曲線的方案。從維修方面通過改進維修工藝，從而使泵的性能曲線與標準性能曲線相吻合或相差在標準規定的誤差范圍之內，使產品保證合格。

1.1 葉輪前后蓋板偏差的影響

葉輪軸面流道是由前后蓋板組成的，軸面流道形狀是確保軸面速度按設計要求變化的保證，一般現代離心泵葉輪的流道，通常都按過水斷面面積沿程均勻緩慢變化的設計。因而葉輪出口寬度b2與葉輪入口寬度b1(圖1)對泵性能影響很大，當葉輪的出口設計寬、較寬時(高比轉數泵)影響較小，當葉輪出口寬度較小(即低比轉數泵)時則將顯著的影響泵的性能。由于葉輪流道寬度b1和b2的變化，影響到流道擴散情況的改變，將會破壞原設計的“均勻緩慢擴散”的要求，如果b1變小b2不變的話，擴散度變大，水流在流道內的擴散損失就會劇增，其性能曲線與標準性能曲線平行，但比標準低，還會引起汽蝕性能變壞。如果b1不變或增大而b2變大時，擴散度就減小，出口速度增高增加水力損失，泵的性能同上。在這2種情況下，泵的揚程會降低2～5 m，如圖2所示。

虛線為標準形狀；實線為實際形狀圖1 葉輪

圖2 泵的揚程

為了達到設計和標準要求，可通過測量葉輪軸面b1與b2的制造誤差，并修正或通過b1與b2的變化來確定葉輪所需的平均過流面積，使泵性能符合設計和標準的要求，根據實驗得知葉輪的b1和b2與設計計算的差應小于0.4 mm為宜。

1.2 葉輪出口寬度不均勻引起性能變化

葉輪出口寬度不均勻會引起泵的強力振動、振動速度V和振動幅值S超出標準要求。由于鑄造過程中，油砂芯子、砂型內腔的制造引起的葉輪出口寬度b2沿圓周的不均勻，造成前后蓋板厚度的變化不一。機械加工完成后，葉輪經過精心的靜平衡，切去了不平衡的重量，但是泵有時仍然會產生劇烈的振動，其原因是由于b2的不均勻，各葉片所受水力負荷不同而引起的振動。同時流量、揚程、軸功率也要發生脈動，致使測試不穩定，指針偏擺較大，測試數據不準確，給泵性能實驗帶來困難，效率也有所下降。對葉輪出入口寬度偏差的要求，一般應控制在0.375 mm以內比較理想[6]，對于出口處，因為離軸心線較遠，寬度對過水斷面的影響更大，線速度也更大，所以偏差控制應當比進口更嚴格。

1.3 葉片進口邊與出口邊對性能的影響

泵所產生的揚程不僅與葉輪的圓周速度和葉輪葉片出口角度有關，實際上，斯捷潘諾夫指出“出口角是唯一最重要的設計因數”。還有葉片入口附近的形狀，葉片出口端形狀對泵性能的影響也較大，葉片應嚴格按照設計的木模圖進行生產。

對于葉片入口邊的幾何形狀，修成尖角或刀刃狀效果較好但并不符合液體的流動規律[7]，鋒利的進口邊會使水流在進入葉輪葉片后不遠處提前分離，從而造成水力損失增加，汽蝕性能變壞，較理想的進口邊應修成略小于葉片厚度的1/2R圓角，并逐步均勻變化到葉片的厚度。對于試制的樣機性能有偏差時，可對葉片進口邊進行修銼，修銼葉片背面(圖3)，實際上相當于減少了葉片骨線的進口角，使水泵流量減少，高效點向小流量方向移動。不論修銼葉片工作面還是背面，泵的效率均會提高1%～2%。

對于性能偏差比較大的泵，可進行葉片出口的修正，而且最為敏感，在保證強度的條件下，葉片可銼的更薄些。修銼背面時，使葉片減薄，實際相當于增加了葉片間的出口高度，增加了出口面積，也相當于增加了葉片的出口按放角β2，使揚程提高，性能曲線向上偏移，高效點向大流量方向偏移。相反，銼去葉片工作面使葉片減薄，相當于減小了葉片的出口按放角β2，使揚程降低，性能曲線向下偏移，如圖4所示。

圖4 性能曲線

葉片修銼后，泵在規定轉速下，泵的揚程、效率變化(圖5)。可見兩種方法均能使泵的設計工況點外提高效率。經實踐證實修銼葉片的出口邊能有效地調節泵的性能參數。

圖5 泵的揚程、效率變化

1.4 泵過流部位表面粗糙度對泵效率的影響

葉輪、泵體蝸室構成了水泵的過流通道，它是離心泵的兩大關鍵部件，他們的表面粗糙度直接影響泵的揚程、流量、軸功率和效率。因而國外不少泵廠用降低泵過流表面的粗糙度方法來減少水力摩擦損失，開始應用了沖壓成型的葉片，進行鉚焊組裝成形來提高泵的效率。國內部分泵廠開始采用樹脂模型和砂芯表面上涂料的方法來提高過流表面的粗糙度，力求減少水力摩擦損失。在生產實踐中得出，葉輪葉片間和泵體蝸室中如果有清砂不凈、鑄件表面有缺陷或毛刺，會使水流發生阻滯，使邊界層加厚，相當于減小了過流面積，同時還會引起漩渦損失和摩擦損失，可使水泵效率下降2%～3%左右。因此認真清除流道內的粘砂和毛刺也是提高泵效率的一個重要途徑。

1.5 泵體蝸室偏差對泵性能的影響

隔舌對泵性能的影響：蝸旋形壓水室，隔舌的形狀和位置對泵的性能有較大的影響，隔舌的進口邊一般設計成圓形截面，以避免水流經過隔舌后過早的分離。然而有些泵廠在制造過程中，做成較鋒利的尖角，認為是分水嶺，這種隔舌不但會因水流過早分離而產生揚程損失，而且尖薄的結構很容易發生鑄造缺陷，致使鑄件報廢，產品整機性能變壞。

隔舌與葉輪外圓間隙：這個間隙太大會使泵揚程、流量、軸功率、效率降低；如果太小又會使泵在運轉當中發生振動和噪聲，汽蝕性能變壞，效率降低。因而必須嚴格按照設計和計算要求制造。

低比轉速泵隔舌截面：對于低比轉速(比轉速ns為60～100)的泵，隔舌截面(圖6)的變化，離心水泵性能參數也在隨著變化，致使性能參數偏離設計要求。在泵體蝸室其尺寸不變，而單純減少隔舌的安放角α3時，必然會引起隔舌截面減少，這樣會引起水泵節流效應。雖然關死點揚程不會變化，但在相同流量點上，泵的出口揚程會比正常情況下低，當α3增大時，會使流量增大，同時軸功率也要增大。

圖6 隔舌截面

蝸室基圓找正：在泵體機械加工中，裝卡、找正時必須以泵體蝸室基圓找正，如果不按蝸室基圓找正，就會引起裝配后的葉輪中心偏離泵體蝸室中心(圖7)，使泵體的一側徑向截面減少，另一側徑向截面增大，從而破壞了水流沿蝸室周圍向原設計的速度分布規律，經試驗證明如中心偏離5 mm，揚程將降低1～2.5 m，效率將降低3%左右，因而在加工中必須按蝸室找正保證葉輪中心與泵體蝸室中心在同一軸心線上。

圖7 泵體蝸室

出口法蘭或變徑管與泵出口的同心度：如果在25 mm的出口管法蘭上，當法蘭中心與螺檢孔的中心不同心時，能使揚程下降，因而安裝錐管時必須保證兩孔的同心度，以利于提高泵的使用性能。

2 維修裝配過程中注意事項

2.1 離心泵軸的檢測及修復

軸不應有彎曲、裂紋、嚴重銹蝕或損傷，檢測泵軸直線度，其值在全長上應不大于0.05 mm。軸頸表面不得有麻點、溝槽等缺陷，表面粗糙度的最大允許值為0.8 μm，軸頸圓度和圓柱度誤差應小于0.02 mm。外花鍵完整，無壓潰、缺損等缺陷，鍵槽中心線對軸中心線平行度誤差應小于0.03 mm/100。

與軸承配合的軸頸不允許有影響配合要求的傷痕，配合尺寸精度應符合設計要求。配合部位銹蝕嚴重，打磨后安裝尺寸超差后，采用激光熔覆進行焊接修復，建議采用不銹鋼焊絲，可提高軸的防銹性能。

2.2 離心泵葉輪檢測

葉輪表面應無裂紋、破損等缺陷，葉輪流道表面應光滑，且無結垢、毛刺。各級葉輪吸入口和排出口密封環無松動，密封環表面光滑，無毛刺，表面粗糙度Ra的最大允許值為0.8 μm，與葉輪裝配間隙量應為0.05～0.10 mm。以葉輪內孔為基準，檢查葉輪徑向跳動應不大于0.05 mm，端面跳動不大于0.04 mm。葉輪與軸采用過盈配合，一般為H7/H6。鍵與鍵槽配合過盈量為0.09～0.12 mm，裝配后，鍵頂部間隙量就為0.04～0.07 mm。

2.3 泵頭、泵殼及導葉輪檢測

清洗并檢查各級葉輪，應無磨損、裂紋、沖蝕等缺陷。導葉輪的防轉銷應無彎曲、折斷和松動。泵頭、泵殼密封環表面應無麻點、傷痕、溝槽，表面粗糙度Ra的最大允許值為0.8 μm，密封環與泵頭、泵殼裝配間隙量為0.05～0.10 mm，密封環應不松動。以泵頭、泵殼止口為基準，測量密封環內孔徑向圓跳動，其值不大于0.50 mm，端面圓跳動應不大于0.04 mm。測量泵頭、泵殼密封環與其裝配密封環之間的間隙量，其值應在0.50～0.60 mm之間。

2.4 螺栓連接方面注意事項

連接螺栓不得彎曲，螺紋損傷不得超過螺紋工作高度的一半，且連續不得超過一周。連接件螺栓的螺紋旋入孔內部分不得少于兩個螺距。同一部位的緊固件規格型號和強度等級應一致。螺栓再裝配過程中涂抹防銹劑，螺栓等級要求在8.8級以上，螺栓安裝到位后有可靠的防松裝置。

2.5 滾動和滑動軸承的安裝

滾動軸承內圈端面應緊靠軸向定位面。軸承熱裝時，其加熱溫度應不高于90 ℃。軸承加注3#鋰基脂，軸承充油量為軸承空隙的2/3。

滑動軸承要求軸瓦應與軸配對刮研，軸瓦上點要求每平方英寸達7點以上。軸承與軸上部間隙應在0.15～0.18 mm，側面單側間隙應在0.075～0.090 mm之間。

2.6 填料密封件的安裝

檢查軸在密封部件處的徑向跳動量，軸的允許徑向跳動量在0.03～0.08 mm范圍內。液封環與軸套的直徑間隙一般為1.00～1.50 mm，液封環與填料箱的直徑間隙一般為0.15～0.20 mm。填料壓蓋與軸套的直徑間隙一般為0.75～1.00 mm，四周間隙應均勻。填料壓蓋與填料箱的直徑間隙一般為0.10～0.30 mm。有填料底環時，底環與軸套的直徑間隙一般為0.70～1.00 mm。填料壓緊后，液封環進液孔應與液封管對準，或液封環稍偏向外側。對于成卷包裝的填料，用時先取一根與軸同尺寸的木棒，將填料纏繞其上，再用刀切斷，切口最好呈45°斜面。

2.7 整機裝配和試驗

聯軸器調整：泵聯軸器與電機聯軸器之間應有間隙。由于采用平衡盤的結構形式，所以泵轉子沿軸向方向有一定的串動量。調整時應將泵聯軸器盡量向外拉，拉到極限位置時，泵與電機的兩聯軸器端面之間應保持一定的間隙，其間隙的均勻度可用塞尺測量，允差為0.06 mm。水泵與電機的軸線應重合。可用直尺在兩聯軸器圓周各個方向進行測量，兩聯軸器外圓表面與直尺間間隙允差0.08 mm。如不符規定的間隙要求，可用調整墊進行調整到要求的間隙尺寸。結構件內、外各固定螺栓緊固時，力矩應符合原設計要求。整體裝配后應按廠家設計要求給泵體的前后軸承加注潤滑脂平衡水管接頭處應采取相關防漏水措施，緊固可靠。水封管部件安裝緊固，不得泄漏。

遵循試運轉操作規程：試運轉前應先確認離心泵潤滑油(脂)清潔度符合要求。電動機點動，機器正常運轉后方可進行空負荷試驗運轉時，慢速、快速各正反轉不少于2 h。檢測水泵軸承溫度，滾動軸承的工作溫度不應超過環境溫度35 ℃，最高直接溫度不應超過75 ℃。滑動軸承的工作溫度不應超過環境溫度30 ℃，最高直接溫度不應超過70 ℃。填料室內正常漏水程度，以每分鐘10～20滴為準，否則，應調整填料壓蓋。最后，檢查聯軸器無明顯震動、卡滯現象。

3 結語

敘述了離心泵過流部位尺寸偏差對泵性能的影響，從中看出離心泵的性能取決于設計質量、制圖質量、鑄件鑄造、機械加工質量、裝配質量等諸多因素，而且取決于它們的相互配合。任何一個給定的設計因素對泵的性能可能有很大的影響，也可能影響較小，至于影響的程度則取決于所有其他因素的相對重要性和相互配合協調，因而在新產品試制當中發現性能有偏離標準要求時，要具體分析查找原因，找出關鍵性因素。

離心泵在維修過程中，零部件的檢測和裝配細節如得到控制，完全可以將性能恢復到新出廠時的90%以上。把控每一步工藝工業，嚴格執行裝配參數，也是提高離心泵性能的手段之一。以上泵過流部位尺寸偏差與幾何形狀偏差主要是由于熱工藝過程和工人操作過程，其次是機加工、裝配引起的偏差所造成的，再就是維修過程中檢測及裝配諸多因素，因而必須在鑄造工藝和維修過程中加強質量控制、加強檢驗，控制葉輪出口寬度和流道的幾何形狀，保證葉輪泵體、流道的清潔度和表面粗糙度達到設計要求，或降低表面粗糙度來提高泵的性能。