給水泵葉輪裂紋原因分析及處理

發布時間:2019/10/10 15:06:59     作者:     來源:本站

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給水泵是水泵行業中常用的水泵,一般由:泵殼,葉輪,密封,支架,軸承箱,電機等部分組成。葉輪是水泵輸送液體的主要部件,葉輪受損會大大影響水泵的流量,揚程等參數,對水泵性能要求就無法滿足,如水泵葉輪出現裂紋是什么原因的,要如何改進呢?一、葉輪機械結構分析給水泵…

給水泵是水泵行業中常用的水泵,一般由:泵殼,葉輪,密封,支架,軸承箱,電機等部分組成。葉輪是水泵輸送液體的主要部件,葉輪受損會大大影響水泵的流量,揚程等參數,對水泵性能要求就無法滿足,如水泵葉輪出現裂紋是什么原因的,要如何改進呢?

一、葉輪機械結構分析

給水泵葉輪由前蓋板、后蓋 板、葉片、輪轂等部件組成。葉片與前蓋板接口的 尖角設計狹窄,容易造成應力集中。在多種載荷 的共同作用下,葉片拉伸,其與前蓋板的連接處產 生一個超負荷的應力,導致接口處逆向收縮產生裂 紋。

1、斷口形貌分析

從葉輪上切取一個葉片試樣,觀察知裂紋從葉片 尖角處開始一路向后蓋板擴展,于葉片與輪轂 交接處。實際測得的裂紋長度為70~80 mm。從葉片的 斷面上觀察到與裂紋拓展方向垂直的疲勞臺階,這是 金屬疲勞斷口最基本的宏觀特性。5個葉片上的裂紋 走向及斷面形式相同。用掃描電鏡觀察其斷口,清晰可見 由疲勞臺階組成的海灘花樣,整個斷口上沒有觀察 到明顯的塑性變形痕跡。由于滑移系數較低的鋼鐵材 料的疲勞輝紋往往較短、較小,再加上葉輪的轉速較 高使得疲勞輝紋間距更小,所以難以觀測到典型的疲 勞輝紋。但葉片上的裂紋斷口平直,斷口上有疲勞弧 形成的海灘花樣,且從斷口的宏觀特性和葉輪實際的 運行工況判斷,該斷口的性質系脆性疲勞 [6,7]。

2、根據本章的分析,葉片產生裂紋原因總結如下:

葉片根部尖角設計過于狹窄,制造偏差使其剛度低于 設計值,運行過程中所受大載荷遠遠超過設計值。在多種載荷的綜合作用下,葉片局部應力集中。經過 斷口形貌分析確認,輔助給水汽動泵二級葉輪葉片裂 紋是材料脆性疲勞造成的。

二、葉輪結構改進

1、葉片、后蓋板厚度

舊葉輪葉片設計厚度為5 mm,新型葉輪葉片設計 厚度改為7 mm;舊葉輪后蓋板設計厚度為5 mm,新 型葉輪后蓋板設計厚度為8.6 mm。由于整體上增加了葉片剛度和強度,實測值均高于設 計值,因此葉輪強度理論上應高于設計值。

2、葉片前緣長度

為解決所述的問題,新型二級葉輪將葉片 前緣縮短到葉輪內徑處,生根位置增加至前、后蓋板 兩處,加工難度小,厚度尺寸控制精度高。葉片前緣 長度縮短,取消尖角,應力集中問題得到大幅緩解。

3、葉片受力有限元分析

由于設計缺陷,舊葉輪葉片尖角在 正常運行、小流量運行和超速跳閘運行工況下,葉 片入口原角處的峰值應力超過葉片材料抗拉強度。而設計優化后的新型葉輪葉片局部峰值應力大大降 低[8, 9],大為254 MPa,遠低于屈服強度設計值(不 超過50%),解決了葉片尖角處抗拉強度不足的問 題,滿足設計要求。

三、試驗驗證

對新型二級葉輪進行總時長為876 h的試驗,包含4個階段——水力性能試驗、耐久性試驗、小流量 試驗(含超速停機和正常停機)和正常工況運行試驗 等。在完成每階段試驗之后,均對泵進行解體檢查, 以證明新型二級葉輪滿足電廠全壽期內的設計要求。

1、小流量工況下揚程輕微下降現象

小流量工況(25 m3/h)下揚程下降約10 m,下降 幅度約1%。該微小偏差可能是因為泵經歷了較長時 間的耐久試驗,前后口環泄漏輕微增加,造成小流量 對應效率輕微下降。此系正常磨損,根據GB/T 3216- 2005規定[11],水力性能偏差≤3%,在1級標準范圍內, 因此判斷其不影響設備正常運行。

2、汽蝕現象

對改進型葉輪進行檢查時發現葉輪入口處存在 輕微汽蝕的現象。由于汽蝕坑深處小于0.5 mm, 經過整個876 h的試驗后,汽蝕程度沒有明顯惡化趨 勢。因此,新二級葉輪產生的微小汽蝕坑不會對葉 輪的整體機械強度造成影響,同時,輔助給水汽動泵,泵的汽蝕余量為7.24 m,而現場ASG001BA的正常水位為13~14.52 m,因此判斷泵在 正常運行時發生汽蝕的可能性極低。

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