超高分子量聚乙烯材料的葉輪膨脹特性研究*

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，使泵運轉平穩，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點，但是實際使用過程中發現其有膨脹現象，在要求小間隙的地方，經常會卡死，如為了保證泵的效率而減少容積損失、減少口環泄漏量，要求葉輪密封環配合間隙為0.2～0.3mm[2]。發生葉輪口環與泵殼口環卡死現象后，查資料未找到相應的膨脹數據，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，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果如圖3所示，徑向尺寸DL2的膨脹量百分比測試結果如圖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，說明膨脹結束。根據對所測尺寸的測試結果，進行平均計算，以280天時測試的結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

對比上面結果發現，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

技術參數為揚程50m，流量25m3/h；輸送介質為30%的NaCl溶液，介質溫度為常溫；運行方式為連續運轉。

根據文獻[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，根據強度設計前口環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，后口環與前口環的尺寸設計為一樣，后口環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。

把已知數據代入上式，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——轉速；

u2——圓周速度，u2=Dπn/60，m/s；

Ψ——系數。

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%，所以根據標準，泵性能是合格的。

對該泵進行現場實驗跟蹤，從記錄中發現，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，葉輪口環膨脹，使葉輪密封環與泵殼密封環之間的間隙達到設計值，從而提高效率，這與上述實驗結果基本相符合。

3 結束語

對超高分子量聚乙烯材料的葉輪進行設計時，一定要考慮膨脹現象，否則運行一段時間會出現故障，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，但通過修正實驗結果，經過現場驗證，結論基本是準確的，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。

[1] 張玉龍.塑料品種與性能手冊[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2] 關醒凡.現代泵理論與設計[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：機械工業出版社，2011.

[4] GB/T 3216-2005，回轉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，2009，(6)：16～19.