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(jī)械制造有限公司)

在輸送海水或咸水時(shí)，一般不銹鋼泵壽命都比較短，用特殊不銹鋼泵時(shí)，成本很高，而且葉輪的磨損和腐蝕很嚴(yán)重，更換頻率高，為了降低成本，延長(zhǎng)葉輪的使用壽命，近年來(lái)，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?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁┎牧系娜~輪具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(dāng)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(zhǎng)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(zhǎng)其使用壽命[1]；不導(dǎo)電的特性，在海水中使用時(shí)不會(huì)有電化學(xué)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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，延長(zhǎng)了使用壽命；光滑的流道表面，減少流動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間保證尺寸，從而使泵在工作點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間增加，延長(zhǎng)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(diǎn)，但是實(shí)際使用過(guò)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(huì)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(yīng)的膨脹數(shù)據(jù)，只是定性的描述為輕微膨脹。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看是不夠的，因?yàn)椴涣私獠牧系呐蛎浱匦裕瑫?huì)使設(shè)計(jì)沒(méi)有理論依據(jù)，重要的一些配合尺寸無(wú)法確定，特別像影響泵性能的葉輪外徑、出口寬度等尺寸無(wú)法精確計(jì)算出來(lái)，同時(shí)由于膨脹會(huì)使葉輪無(wú)法從泵殼里拆出來(lái)，造成了泵的維護(hù)保養(yǎng)困難。綜上所述，有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)超高分子量聚乙烯葉輪的膨脹特性進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)研究

選擇一個(gè)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(méi)，室溫下，不考慮季節(jié)對(duì)水溫的影響，做了為期343天的測(cè)試，選擇了5個(gè)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)，測(cè)量時(shí)間點(diǎn)之間間隔為70天左右，主要測(cè)量的葉輪尺寸如圖1如示。為了便于測(cè)量，對(duì)葉輪行進(jìn)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(shí)建立空間從標(biāo)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(gè)方向。

對(duì)軸向尺寸LN的膨脹量百分比測(cè)試結(jié)果如圖3所示，徑向尺寸DL2的膨脹量百分比測(cè)試結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看到，大約在280天時(shí)，膨脹量趨于一個(gè)定值，說(shuō)明膨脹結(jié)束。根據(jù)對(duì)所測(cè)尺寸的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行平均計(jì)算，以280天時(shí)測(cè)試的結(jié)果為最大膨脹量百分比，繪制所有測(cè)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(shí)驗(yàn)葉輪測(cè)試尺寸圖

圖2 葉輪坐標(biāo)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(duì)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(shè)計(jì)葉輪時(shí)適當(dāng)放大膨脹量百分比，因此，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，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(shè)計(jì)實(shí)例

技術(shù)參數(shù)為揚(yáng)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(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的公式計(jì)算得到葉輪的主要尺寸為：葉輪外徑D2=202mm，口寬B=10mm，進(jìn)口D1=65mm，根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)前口環(huán)DL1=80mm，軸孔DB=25mm，軸孔長(zhǎng)度LN=32mm，葉輪總的軸向長(zhǎng)度BL=70mm，為了平衡軸向力，后口環(huán)與前口環(huán)的尺寸設(shè)計(jì)為一樣，后口環(huán)DL2=80mm，這是沒(méi)有膨脹的葉輪尺寸，通過(guò)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(méi)膨脹的徑向尺寸；

Ds——膨脹后的徑向尺寸；

Ldry——沒(méi)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(shí)際要設(shè)計(jì)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(duì)泵性能影響較大的是葉輪外徑，根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知泵的揚(yáng)程為：

H=Ψ·u22/2g

式中D——葉輪外徑；

g——重力加速度，m/s2；

H——揚(yáng)程，m；

n——轉(zhuǎn)速；

u2——圓周速度，u2=Dπn/60，m/s；

Ψ——系數(shù)。

因?yàn)槭峭慌_(tái)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(yùn)行時(shí)揚(yáng)程要比實(shí)際需要少2%，運(yùn)行一段時(shí)間后，葉輪達(dá)到一定的膨脹量，揚(yáng)程才能達(dá)到設(shè)計(jì)值，根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，通常泵的2級(jí)實(shí)驗(yàn)揚(yáng)程的允許變動(dòng)量為2%，所以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，泵性能是合格的。

對(duì)該泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)跟蹤，從記錄中發(fā)現(xiàn)，剛開始運(yùn)行時(shí)，若設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程相差1m，則效率低一個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)行到280天后，效率達(dá)到了設(shè)計(jì)值，這就說(shuō)明，剛開始運(yùn)行時(shí)，由于密封環(huán)間隙太大，泄漏量增加，影響了泵的效率[5]，當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)值，從而提高效率，這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符合。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)超高分子量聚乙烯材料的葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮膨脹現(xiàn)象，否則運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)故障，損壞葉輪。筆者所做的實(shí)驗(yàn)是在理想條件下進(jìn)行的，如果要在實(shí)際工況下實(shí)驗(yàn)，會(huì)增大難度和成本支出，但通過(guò)修正實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，結(jié)論基本是準(zhǔn)確的，可作為超高分子量聚乙烯材料的葉輪設(shè)計(jì)時(shí)膨脹量的依據(jù)。

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

[2] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2011.

[3] 陳乃祥，吳玉林，劉娟，等.葉片泵設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] GB/T 3216-2005，回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能試驗(yàn)1級(jí)和2級(jí)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5] 何希杰，勞學(xué)蘇.離心泵效率計(jì)算若干公式評(píng)價(jià)[J].水泵技術(shù)，2009，(6)：16～19.