大型斜式軸流泵的應(yīng)用|資料

1大型斜式軸流泵的應(yīng)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(jī)組受力均勻等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到不同用戶的高度關(guān)注，尤其是低揚(yáng)程（＜3m）大流量（<15m3/s）工況下，在傳統(tǒng)立式、臥式機(jī)組不適使用，貫流機(jī)組又不十分完善的情況下，斜式機(jī)組是一種比較好的選擇。太浦河泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.39m，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)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(jī)配套功率1600kw，總裝機(jī)9600kw，主機(jī)泵部分通過國際招標(biāo)形式確定承包商。
1.2機(jī)組總體布置
整個(gè)水泵機(jī)組系統(tǒng)有進(jìn)出水流道部分，水泵部分，齒輪箱部分，電機(jī)部分和輔助設(shè)備等組成。水泵為15°斜式安裝，葉片為半調(diào)節(jié)；采用中速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，通過兩級齒輪箱減速傳動，水泵轉(zhuǎn)速為73r/min，進(jìn)水流道為肘形進(jìn)水，出水流道為變徑擴(kuò)散管，采用快速閘門斷流。
1.3流道部分流體數(shù)值計(jì)算
進(jìn)水流道為肘形管，出水流道為變徑擴(kuò)散管，均起水流的引導(dǎo)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(jié)構(gòu)。進(jìn)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(tǒng)的流道裝置試驗(yàn)是根據(jù)原型機(jī)組的控制尺寸來設(shè)計(jì)模型泵的裝置流道，通過試驗(yàn)后，對流道或水力元件進(jìn)行修整，直到滿足設(shè)計(jì)要求。通常這一過程投入的時(shí)間、人力、精力、物力都是相當(dāng)大的。本項(xiàng)目的進(jìn)出水流道特請武漢水利電力大學(xué)進(jìn)行了流道流體數(shù)值計(jì)算，通過流體數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出流道的水力損失為0.5m，由水利部天津水利水電設(shè)計(jì)研究院科研所進(jìn)行模型裝置試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，流體數(shù)值計(jì)算的損失與試驗(yàn)結(jié)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(jù)。
圖一為經(jīng)過流體數(shù)值計(jì)算后得出的模型流道形式。
2大型斜式軸流泵設(shè)計(jì)
水泵設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照標(biāo)書規(guī)定要求及國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；原型水泵的性能參數(shù)根據(jù)模型裝置試驗(yàn)確定，原型泵水力元件設(shè)計(jì)嚴(yán)格以模型裝置按相似定律進(jìn)行設(shè)計(jì)（請見設(shè)計(jì)計(jì)算書及圖紙）。
2.1水泵結(jié)構(gòu)
水泵部分由轉(zhuǎn)輪部件、泵軸部件、導(dǎo)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(jī)通過兩級平行齒輪傳動與水泵連接，機(jī)組的整體外觀特請有關(guān)院校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行美化設(shè)計(jì)（請見圖二）。
2.2轉(zhuǎn)輪部件
轉(zhuǎn)輪是水泵機(jī)組的心臟，由轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)根據(jù)模型葉片嚴(yán)格按幾何相似換算，鑄件經(jīng)熱處理消除應(yīng)力后，葉片表面進(jìn)行打磨清除夾沙及表面硬皮，在三軸座標(biāo)儀上進(jìn)行打點(diǎn)劃線，找出轉(zhuǎn)動中心及0o基準(zhǔn)線。
葉片是保證水泵各項(xiàng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵，由于葉片是一空間曲面，傳統(tǒng)的水泵葉片都是不進(jìn)行機(jī)加工的，一方面是受到加工設(shè)備的限制，另一方面受傳統(tǒng)理念影響，因此，原型泵組的各項(xiàng)性能指標(biāo)能否達(dá)到期望的要求是難以保證的。本項(xiàng)目的葉片在大型泵上開創(chuàng)了機(jī)加工先例，而且采用的是當(dāng)今最 的五軸數(shù)控加工法。通過對模型泵葉片數(shù)控加工與打點(diǎn)加工對比試驗(yàn)，數(shù)控加工的葉片效率指標(biāo)可提高1.5%，在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.39m時(shí)的裝置效率達(dá)69%。葉片加工精度的大幅度提高，使葉片型線偏差（標(biāo)書要求為±6.15mm,現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(zhì)量指標(biāo)得到了提高，從而為泵站高效、穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供良好保證。本項(xiàng)目單個(gè)葉片的設(shè)計(jì)重量為1950kg，按傳統(tǒng)兩葉片間的重量差不大于150kg，給轉(zhuǎn)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(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。葉片數(shù)控加工后，兩葉片間的重量差只有6kg，轉(zhuǎn)輪體的配重很小，靜平衡精度大大提高，從而機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性有了可靠保證。葉片進(jìn)口邊頭部采用五截面樣板檢驗(yàn)；轉(zhuǎn)子體為ZG270-500整體鑄造，球體采用數(shù)控機(jī)床加工；葉片采用螺釘及壓板固定于轉(zhuǎn)子體上，葉片角度采用圓柱銷定位，并可根據(jù)工況要求，調(diào)整葉片角度（調(diào)角范圍為-4°～+4°），使葉片固定于某一角度運(yùn)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(zhuǎn)子體聯(lián)接，泵軸與轉(zhuǎn)子體采用螺栓聯(lián)接橫銷傳遞扭矩，泵軸上端與鼓齒聯(lián)軸器采用鍵聯(lián)結(jié)，通過鼓齒聯(lián)軸器與齒輪箱軸相聯(lián)，鼓齒聯(lián)軸器之間尚有間隙，以便調(diào)整泵軸與齒輪箱軸的軸向距離及同心度；泵軸及水泵轉(zhuǎn)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(diào)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(jù)計(jì)算泵軸直徑原為Φ360mm，已能保證軸的強(qiáng)度及剛度要求，且有足夠的安全系數(shù)；但考慮到該泵為斜式安裝，軸的剛度將影響水導(dǎo)軸承的受力情況及泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)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(nèi)部疏散的金屬并減小軸自身重量產(chǎn)生的撓度。在與導(dǎo)軸承和填料密封接觸部位，泵軸上堆焊3Cr13硬質(zhì)合金，以提高泵軸表面硬度及抗磨性能，表面硬度達(dá)到HRC50以上；并采用專用設(shè)備對軸頸部位進(jìn)行磨加工，導(dǎo)軸承部位軸頸表面粗糙度小于0.8μm。
3水導(dǎo)軸承部件的選用
水導(dǎo)軸承是斜式泵機(jī)組的技術(shù)關(guān)鍵，也是影響機(jī)組可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件。為此，國內(nèi)已建的斜式機(jī)組在水導(dǎo)軸承運(yùn)用上或多或少都出現(xiàn)過問題。太浦河泵站用泵水導(dǎo)軸承的選用上，對國內(nèi)外有關(guān)滑動軸承生產(chǎn)廠商的技術(shù)、產(chǎn)品進(jìn)行了 的研究，結(jié)合國內(nèi)有關(guān)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(chǎn)品；該導(dǎo)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(dǎo)葉片內(nèi)的孔注入軸承內(nèi)部，采用油浴潤滑方式，整個(gè)軸承完全浸入潤滑油中得到充分潤滑，下部設(shè)有回油孔，可定期更換軸承內(nèi)部的潤滑油，并設(shè)有兩個(gè)測溫元件；軸承體及軸瓦均為軸向分半結(jié)構(gòu)，軸瓦與軸承體采用球面接觸，使軸瓦在軸承體內(nèi)可以轉(zhuǎn)動具有自調(diào)功能，可以消除由于軸系對中不好和運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的不平衡力而造成軸瓦受力不均現(xiàn)象；軸承兩端均設(shè)有兩道骨架密封，兩道骨架密封之間也采用重力油潤滑。導(dǎo)軸承按徑向載荷27噸設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算，所選用的導(dǎo)軸承最大可承載35噸。
4泵體部分設(shè)計(jì)
4.1泵體部分
泵體部分包括前錐管、伸縮套管、葉輪外殼、導(dǎo)葉體、變徑彎管、延伸管等零件，其結(jié)合面采用法蘭剛性連接橡膠石棉板密封；其中葉輪外殼、導(dǎo)葉體、變徑彎管均為軸向分半結(jié)構(gòu)，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(nèi)襯不銹鋼，提高其抗汽蝕性能，在葉輪外殼頂部及底部均設(shè)有觀察孔，便于觀察葉片運(yùn)轉(zhuǎn)情況及安裝、檢修時(shí)測量葉片間隙及導(dǎo)軸承磨損情況，葉片與外殼之間的單面間隙為4mm左右；導(dǎo)葉體采用結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)葉體的法蘭以及筒體采用Q235-A 鋼板焊接而成，可保證良好的外觀質(zhì)量和表面粗糙度，對導(dǎo)葉模具翼型進(jìn)行檢測，翼型符合圖紙要求后，導(dǎo)葉片采取單片鑄造，材質(zhì)為ZG270-500鑄鋼，導(dǎo)葉片表面進(jìn)行打磨加工，表面粗糙度不大于12.5μm，，再對導(dǎo)葉定位后進(jìn)行焊接，從而確保零件和圖紙一致，也保證了導(dǎo)葉體的水力性能。其他零件均采用Q235-A結(jié)構(gòu)件；在變徑彎管頂部設(shè)有進(jìn)人孔，供安裝和檢修時(shí)備用；在前錐管、葉輪外殼、導(dǎo)葉體、變徑彎管、延伸管上均設(shè)有支撐地腳，配置調(diào)整墊鐵，便于安裝時(shí)調(diào)整高程及水平；前錐管是進(jìn)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(shè)改為二期混凝土埋設(shè)，為了有效防止?jié)仓诨炷梁蟮臐B水現(xiàn)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(jié)束后，須澆注二期混凝土埋入基礎(chǔ)中。
4.2泵軸密封部件
泵軸密封部件由填料盒、填料、填料環(huán)、填料壓蓋等組成；填料盒為整體鑄鐵件，填料盒須預(yù)先套裝在泵軸上；填料環(huán)、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(yùn)行時(shí)的水推力、轉(zhuǎn)動部分重量的徑向分力。主要有：軸承體、軸承壓蓋、兩個(gè)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(jié)構(gòu)；推力軸承、徑向軸承采用SKF進(jìn)口軸承，采用稀油循環(huán)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(shè)有溫度監(jiān)測，軸承兩端均設(shè)有兩道骨架密封；除軸承體外所有圍圈零件均須預(yù)先套裝在泵軸上。
5.輔助設(shè)備：主要有潤滑水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)及自動化監(jiān)測系統(tǒng)。
5.1潤滑水系統(tǒng)：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(jī)前應(yīng)先通潤滑水5分鐘后再開機(jī)。
4.4潤滑油系統(tǒng)
除齒輪箱、電動機(jī)需稀油潤滑外；水泵推力徑向組合軸承采用稀油循環(huán)潤滑，由齒輪箱稀油站分出，對于水泵長期不運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)前應(yīng)先稀油循環(huán)5分鐘后再開機(jī)；導(dǎo)軸承采用重力油潤滑，油號為N220號機(jī)械油，在運(yùn)行中應(yīng)經(jīng)常檢查油位情況是否正常，并及時(shí)加油，為保證油的清潔和粘度，首次運(yùn)行72小時(shí)后須進(jìn)行更換，以后每工作300～500小時(shí)更換一次導(dǎo)軸承內(nèi)的稀油，并在加注前進(jìn)行過濾，對于水泵長期不運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)前應(yīng)先更換導(dǎo)軸承內(nèi)的潤滑油后再開機(jī)。
4.5自動化監(jiān)測系統(tǒng)
監(jiān)測項(xiàng)目有水泵葉輪進(jìn)口真空壓力、葉輪出口壓力、導(dǎo)葉體出口壓力、泵段的進(jìn)口與出口間壓力差，水泵振動，導(dǎo)軸承溫度、推力徑向組合軸承溫度等都設(shè)有帶模擬量輸出測試元件，模擬量為標(biāo)準(zhǔn)信號4～20mA。