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水泵知識

大型斜式軸流泵的應用

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1 大型斜式軸流泵的應用
    1.1概述
     大型斜式軸流泵由于其良好的水力性能、較小的開挖深度、廠房高度低、機組受力均勻等優點,越來越受到不同用戶的高度關注,尤其是低揚程(<3m)大流量(>15m3/s)工況下,在傳統立式、臥式機組不適使用,貫流機組又不十分完善的情況下,斜式機組是一種比較好的選擇。太浦河泵站設計揚程1.39m,水泵設計揚程時單泵流量50m3/s,泵站總流量300m3/s,選用六臺葉輪直徑4.1m大型斜15°安裝軸流泵,單機配套功率1600kw,總裝機9600kw,主機泵部分通過國際招標形式確定承包商。
      1.2機組總體布置 
      整個水泵機組系統有進出水流道部分,水泵部分,齒輪箱部分,電機部分和輔助設備等組成。水泵為15°斜式安裝,葉片為半調節;采用中速電機,電機轉速為1000r/min,通過兩級齒輪箱減速傳動,水泵轉速為73r/min,進水流道為肘形進水,出水流道為變徑擴散管,采用快速閘門斷流。
     1.3流道部分流體數值計算
     進水流道為肘形管,出水流道為變徑擴散管,均起水流的引導作用,在出水流道外安裝快速閘門斷流。流道大部分采用鋼筋混凝土結構。進水流道的底板至葉輪中心高度為4.25m,葉輪的淹沒深度在葉輪中心以上3.5m。傳統的流道裝置試驗是根據原型機組的控制尺寸來設計模型泵的裝置流道,通過試驗后,對流道或水力元件進行修整,直到滿足設計要求。通常這一過程投入的時間、人力、精力、物力都是相當大的。本項目的進出水流道特請武漢水利電力大學進行了流道流體數值計算,通過流體數值計算,計算出流道的水力損失為0.5m,由水利部天津水利水電設計研究院科研所進行模型裝置試驗,試驗結果表明,流體數值計算的損失與試驗結果基本相符。這一成果可以為今后的大型泵站提供理論依據。
圖一為經過流體數值計算后得出的模型流道形式。 

2 大型斜式軸流泵設計
     水泵設計嚴格按照標書規定要求及國家有關標準執行;原型水泵的性能參數根據模型裝置試驗確定,原型泵水力元件設計嚴格以模型裝置按相似定律進行設計(請見設計計算書及圖紙)。
    2.1水泵結構
    水泵部分由轉輪部件、泵軸部件、導軸承部件、泵體部件、泵軸密封部件、推力徑向組合軸承部件組成,電機通過兩級平行齒輪傳動與水泵連接,機組的整體外觀特請有關院校工業設計專業進行美化設計(請見圖二)。

     2.2轉輪部件
     轉輪是水泵機組的心臟,由轉子體、葉片、壓板等組成。葉片為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼單片整體鑄造,葉片葉型設計根據模型葉片嚴格按幾何相似換算,鑄件經熱處理消除應力后,葉片表面進行打磨清除夾沙及表面硬皮,在三軸座標儀上進行打點劃線,找出轉動中心及0o基準線。 
     葉片是保證水泵各項性能指標的關鍵,由于葉片是一空間曲面,傳統的水泵葉片都是不進行機加工的,一方面是受到加工設備的限制,另一方面受傳統理念影響,因此,原型泵組的各項性能指標能否達到期望的要求是難以保證的。本項目的葉片在大型泵上開創了機加工先例,而且采用的是當今最先進的五軸數控加工法。通過對模型泵葉片數控加工與打點加工對比試驗,數控加工的葉片效率指標可提高1.5%,在設計凈揚程為1.39m時的裝置效率達69%。葉片加工精度的大幅度提高,使葉片型線偏差(標書要求為±6.15mm,現圖紙設計要求提高到±4mm)、型面波浪度、葉片表面粗糙度及各葉片重量差等重要質量指標得到了提高,從而為泵站高效、穩定可靠運行提供良好保證。本項目單個葉片的設計重量為1950kg,按傳統兩葉片間的重量差不大于150kg,給轉輪體靜平衡配重帶來很大影響,靜平衡得不到保證,將影響機組運行的穩定性。葉片數控加工后,兩葉片間的重量差只有6kg,轉輪體的配重很小,靜平衡精度大大提高,從而機組運行的穩定性有了可靠保證。葉片進口邊頭部采用五截面樣板檢驗;轉子體為ZG270-500整體鑄造,球體采用數控機床加工;葉片采用螺釘及壓板固定于轉子體上,葉片角度采用圓柱銷定位,并可根據工況要求,調整葉片角度(調角范圍為-4°~+4°),使葉片固定于某一角度運行,葉片出廠角度定為+2°。
     2.3泵軸部件
     水泵軸為一端法蘭的空心軸,泵軸下法蘭與轉子體聯接,泵軸與轉子體采用螺栓聯接橫銷傳遞扭矩,泵軸上端與鼓齒聯軸器采用鍵聯結,通過鼓齒聯軸器與齒輪箱軸相聯,鼓齒聯軸器之間尚有間隙,以便調整泵軸與齒輪箱軸的軸向距離及同心度;泵軸及水泵轉動部分采用滑動軸承及推力組合滾子軸承支撐軸向力與徑向力,滾子軸承采用球面調心滾子推力軸承。泵軸材料為35號鋼整體鍛件,長為8085mm,是該泵最長件;根據計算泵軸直徑原為Φ360mm,已能保證軸的強度及剛度要求,且有足夠的安全系數;但考慮到該泵為斜式安裝,軸的剛度將影響水導軸承的受力情況及泵的運行穩定性,因此設計時為了提高泵軸的剛度,泵軸直徑加大到Φ410mm,且在軸的中間打孔,去除鍛造軸內部疏散的金屬并減小軸自身重量產生的撓度。在與導軸承和填料密封接觸部位,泵軸上堆焊3Cr13硬質合金,以提高泵軸表面硬度及抗磨性能,表面硬度達到HRC50以上;并采用專用設備對軸頸部位進行磨加工,導軸承部位軸頸表面粗糙度小于0.8μm。
3 水導軸承部件的選用
      水導軸承是斜式泵機組的技術關鍵,也是影響機組可靠運行的關鍵部件。為此,國內已建的斜式機組在水導軸承運用上或多或少都出現過問題。太浦河泵站用泵水導軸承的選用上,對國內外有關滑動軸承生產廠商的技術、產品進行了廣泛的研究,結合國內有關軸承專家的意見,決定采用西班牙塞德瓦公司的船用尾軸軸承產品;該導軸承采用稀油潤滑軸承;軸瓦材料采用錫基白合金軸承材料,采用重力油軸承池潤滑,潤滑油由外部通過導葉片內的孔注入軸承內部,采用油浴潤滑方式,整個軸承完全浸入潤滑油中得到充分潤滑,下部設有回油孔,可定期更換軸承內部的潤滑油,并設有兩個測溫元件;軸承體及軸瓦均為軸向分半結構,軸瓦與軸承體采用球面接觸,使軸瓦在軸承體內可以轉動具有自調功能,可以消除由于軸系對中不好和運行時產生的不平衡力而造成軸瓦受力不均現象;軸承兩端均設有兩道骨架密封,兩道骨架密封之間也采用重力油潤滑。導軸承按徑向載荷27噸設計,根據計算,所選用的導軸承最大可承載35噸。
4 泵體部分設計
     4.1泵體部分
      泵體部分包括前錐管、伸縮套管、葉輪外殼、導葉體、變徑彎管、延伸管等零件,其結合面采用法蘭剛性連接橡膠石棉板密封;其中葉輪外殼、導葉體、變徑彎管均為軸向分半結構,以便于泵站安裝、檢修,其分半面采用螺栓連接、圓錐銷定位、橡膠石棉板密封。葉輪外殼采用ZG270-500母體,內襯不銹鋼,提高其抗汽蝕性能,在葉輪外殼頂部及底部均設有觀察孔,便于觀察葉片運轉情況及安裝、檢修時測量葉片間隙及導軸承磨損情況,葉片與外殼之間的單面間隙為4mm左右;導葉體采用結構件,導葉體的法蘭以及筒體采用Q235-A優質鋼板焊接而成,可保證良好的外觀質量和表面粗糙度,對導葉模具翼型進行檢測,翼型符合圖紙要求后,導葉片采取單片鑄造,材質為ZG270-500鑄鋼,導葉片表面進行打磨加工,表面粗糙度不大于12.5μm,,再對導葉定位后進行焊接,從而確保零件和圖紙一致,也保證了導葉體的水力性能。其他零件均采用Q235-A結構件;在變徑彎管頂部設有進人孔,供安裝和檢修時備用;在前錐管、葉輪外殼、導葉體、變徑彎管、延伸管上均設有支撐地腳,配置調整墊鐵,便于安裝時調整高程及水平;前錐管是進水流道與水泵的連接件,為了方便泵站安裝,前錐管由一期混凝土埋設改為二期混凝土埋設,為了有效防止澆筑二期混凝土后的滲水現象,前錐管長度由700mm加長到1000mm,法蘭外徑由Φ4800mm加大到Φ4900mm;前錐管、變徑彎管(下)、延伸管在水泵全部安裝結束后,須澆注二期混凝土埋入基礎中。 
     4.2泵軸密封部件
泵軸密封部件由填料盒、填料、填料環、填料壓蓋等組成;填料盒為整體鑄鐵件,填料盒須預先套裝在泵軸上;填料環、填料壓蓋為中開分半件,填料為35×35聚四氟乙烯石棉盤根,為改善填料潤滑性能,采用壓力清水潤滑,壓力水由外部專門供水的裝置供給,需水量2L/S,水壓為0.10Mpa;連接緊固件為不銹鋼。
      4.3推力徑向組合軸承部件
      組合軸承部件安裝在變徑彎管的尾部,主要承受水泵運行時的水推力、轉動部分重量的徑向分力。主要有:軸承體、軸承壓蓋、兩個軸套、推力軸承、徑向軸承及骨架密封組成;軸承體為軸向分半結構;推力軸承、徑向軸承采用SKF進口軸承,采用稀油循環潤滑,油號為N220極壓齒輪油,與齒輪箱共用稀油站,油壓為0.05Mpa,油量為0.3L/S,并設有溫度監測,軸承兩端均設有兩道骨架密封;除軸承體外所有圍圈零件均須預先套裝在泵軸上。
5.輔助設備:主要有潤滑水系統、潤滑油系統及自動化監測系統。
5.1潤滑水系統:主要用于填料密封處的潤滑和冷卻,要求供水充足而不間斷。含沙量少,一般不大于0.05~0.1kg/m3,砂子的粒徑不大于0.05~0.10mm,每臺泵用水量為2L/S,壓力0.10Mpa,開機前應先通潤滑水5分鐘后再開機。
      4.4潤滑油系統
     除齒輪箱、電動機需稀油潤滑外;水泵推力徑向組合軸承采用稀油循環潤滑,由齒輪箱稀油站分出,對于水泵長期不運轉,運轉前應先稀油循環5分鐘后再開機;導軸承采用重力油潤滑,油號為N220號機械油,在運行中應經常檢查油位情況是否正常,并及時加油,為保證油的清潔和粘度,首次運行72小時后須進行更換,以后每工作300~500小時更換一次導軸承內的稀油,并在加注前進行過濾,對于水泵長期不運轉,運轉前應先更換導軸承內的潤滑油后再開機。
      4.5自動化監測系統
      監測項目有水泵葉輪進口真空壓力、葉輪出口壓力、導葉體出口壓力、泵段的進口與出口間壓力差,水泵振動,導軸承溫度、推力徑向組合軸承溫度等都設有帶模擬量輸出測試元件,模擬量為標準信號4~20mA。

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