水泵轉輪室制造工藝特點分析

蔡 建 仝妍妍 倪銘程 高 培

一、工程概況

劉老澗泵站位于宿遷市宿豫區仰化鎮境內，建成于1996年，是江蘇省江水北調第五梯級泵站，也是南水北調東線第五梯級泵站之一，具有調水、擋洪等功能。劉老澗泵站改造工程改造前安裝了4臺套無錫水泵廠制造的井筒分段式全調節軸流泵及上海電機廠生產的大型立式同步電動機，設計總流量150m3/s。水泵型號3100ZLQ38-4.2，葉輪直徑3.1m，單泵設計流量37.5m3/s，設計揚程4.2m，轉速150r/min，配套電機型號TL2200-40/3250，容量為2200kW。

工程規模與主要建設內容：按原設計規模進行更新改造，改造后泵站設計流量仍為150m3/s，裝機4臺套，單機設計流量37.5m3/s。更換主水泵及主電機；更換主變、站變及所變，更換高壓開關柜及高低壓電纜，升級改造自動控制、視頻監視及水力量測系統等；設置流道進口安全格柵，維修檢修門，增設出水側清污機起吊設施；新建下游清污機橋；混凝土病害處理，上下游引河清淤及護坡整修，新建35kV 戶內變電所；管理設施完善等。本次主要總結分析水泵制造過程中轉輪室改造不同工藝的優缺點。

二、原水泵轉輪室存在的問題及改造方案

1.轉輪室存在問題

水泵葉片、轉輪室、導葉等過流部件汽蝕嚴重。轉輪室汽蝕帶寬度達到6cm，深度19.20mm，面積5783.88mm2，且一處有穿孔現象，穿孔直徑12.96mm。其中下哈夫汽蝕嚴重，不銹鋼襯帶有3處斷裂、脫落，最大面積為132cm2。轉輪室下哈夫有3處貫穿性裂縫，裂縫寬度5mm，長度57cm，還有多處裂紋。下哈夫與底座緊固螺栓松脫并產生斷裂、錯位，位移達5mm，轉輪室損壞嚴重。葉片間隙最大為3cm，間隙汽蝕導致葉片、轉輪室呈蜂窩狀，三只葉片均有磨損卷片，表面剝落，葉片最大磨損深度為5mm。由于長期磨損、葉片汽蝕以及葉型變化，致使葉輪失去平衡，加之機組長期在非設計工況下運行，致使運行中機組振動加劇，加速了軸頸及軸承的磨損。葉片、轉輪室、導葉損壞嚴重，難以繼續安全運行。

2.轉輪室改造方案

原轉輪室（上）與轉輪室（下）通過止口連接，且上下兩半件間沒有螺栓把合，運行中止口容易松動，造成止口磨損甚至斷裂，本次改造將轉輪室（上）與轉輪室（下）通過法蘭聯接，36 根M36的螺栓把合，定位銷定位，防止軸向及徑向串動導致水泵振動。同時將轉輪室的材質由鑄鋼改為熱模壓不銹鋼，減少轉輪室汽蝕的發生，水導軸承瓦采用研龍彈塑性聚合物合金復合材料，減小磨損。改造前后轉輪室構造示意圖見圖1。

三、轉輪室制造工藝

原水泵轉輪室為上下分瓣結構，下半部分埋置于混凝土內，材質為鑄鋼，雖然內表面鑲焊了不銹鋼帶，但是受制于鑲焊工藝的缺陷，不銹鋼帶容易起鼓、變形，從而引發葉片與轉輪室間隙改變，且發生汽蝕。本次改造后葉輪室的材質由鑄鋼改為模壓不銹鋼，減少轉輪室變形及汽蝕的發生。四臺套水泵的轉輪室均為上下分瓣，內部為球面結構。轉輪室與葉片之間間隙直接影響到水泵穩定安全運行。該轉輪室為工程主機組制造單位推薦轉輪室，采用模壓成型工藝制造，現就該工程淺談鑄造和熱模壓制造工藝的優缺點。

1.鑄造工藝優缺點

（1）鑄造工藝流程

鑄造就是將液態合金澆注到零件形狀、尺寸相適應的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產方法。砂型鑄造生產過程：制模配砂→混砂→造型制芯→上涂料→配?！舷洹蹮挐沧ⅰ渖啊謇怼鷻z驗入庫。鑄造工藝過程程序較多，因此影響鑄件質量方面的因素多，鑄件內在質量控制較為困難。

（2）鑄造工藝優點

①適應性廣，成本低。對于鑄造來說生產工藝成熟，適用性廣，可以加工制造小件、大件、簡單件、復雜件，單件、大批量均可以采用鑄造。鑄造材料價廉易得，鑄型制造簡單，對鑄件單件生產、成批生產和大量生產均能適應，鑄造生產常用的工藝可以有效節約成本。

②鑄件形狀、尺寸幾乎不受限制，可以鑄造外形和內腔十分復雜的毛坯件。

（3）鑄造工藝缺點

①生產效率低。水泵轉輪室鑄件較為單一，砂型鑄造過程中每個砂質鑄型只能澆鑄一次，獲得鑄件模型后砂型即損壞，必須重新造型，需要耗費人力物力較多，砂型鑄件在生產效率方面較低。

②質量控制困難。鑄件生產工藝較多，鑄件質量控制起來較為困難，包括鑄件鑄型的剛度不高、化學成分配置復雜等。

③尺寸精度較差，加工余量大。由于水泵轉輪室精度要求高，鑄件產品粗糙度較高，精度差，因此加工余量較大。加工余量就是鑄件上需要切削加工的表面應預先留有一定金屬厚度。鑄件產品需進行二次精加工才能保證精度。

圖1 轉輪室構造示意圖

④容易產生缺陷，廢品率高。在鑄造過程中需要控制的因素較多，鑄件容易出現縮孔、沖砂、夾砂、氣孔等，對鑄件質量要求較高，鑄件廢品率就會上升。

2.模壓工藝優缺點

（1）模壓工藝流程

模壓是通過采用萬噸油壓機對鋼材逐點進行強壓，使之成型的一種工藝。主要工藝過程為：模型設計→制?！骸尚?。

（2）模壓工藝優點

①變形小。模壓過程中對需要模壓的壓力進行計算，進行模壓，并考慮鋼材的回彈模量，提前考慮了鋼材變形量，因此在成型后變形小。

②無內在缺陷。相比鑄造質量，模壓采用原材料進行模壓，前期對原材料質量進行相關檢測合格后進行，保證了原材料內在質量。

③生產周期短。設計模型后，方可進行鋼板制模，制模完成后方可進行成品模壓，針對劉老澗泵站工程，制模一次即可完成全部轉輪室，縮短了制模時間。

④節約原材料，產品重量大幅度減少。鑄造產品需考慮到精度問題，需要預留部分余量，而模壓直接成型，不存在余量問題，大大節約了生產材料。

（3）模壓工藝缺點

①產品數量少時，費用大。模壓產品單一，制模后不可繼續使用，造成人工材料浪費，產品數量少，將會導致費用的提高。

②模壓工藝要求高。模壓要經過精密的計算，包括壓力、模型、制模、回彈模量等多種因素，因此生產工藝必須十分精準，才能保證產品模壓質量。

四、結語

水利工程施工是一件較為復雜的工程，特別是水泵運行狀況直接影響到一個泵站的效益，選擇轉輪室制造工藝，應綜合考慮水泵轉輪室鑄造和模壓工藝各種因素，結合泵站自身的特點及運行狀況通過綜合因素來確定。通過多方面比選，劉老澗泵站加固改造工程通過模壓工藝生產的轉輪室，精度高、變形小，節省了材料和工期，可在同類工程中推廣應用■