水利工程论文-大型斜式轴流泵设计研究.doc

水利工程论文-大型斜式轴流泵设计研究摘要：本文着重研究了大型斜式轴流泵的结构形式，装置特性以及相关部件的加工工艺。关键词：斜式泵流量扬程流体数值计算；1大型斜式轴流泵的应用1.1概述大型斜式轴流泵由于其良好的水力性能、较小的开挖深度、厂房高度低、机组受力均匀等优点，越来越受到不同用户的高度关注，尤其是低扬程（3m）大流量（15m3/s）工况下，在传统立式、卧式机组不适使用，贯流机组又不十分完善的情况下，斜式机组是一种比较好的选择。太浦河泵站设计扬程1.39m，水泵设计扬程时单泵流量50m3/s，泵站总流量300m3/s，选用六台叶轮直径4.1m大型斜15安装轴流泵，单机配套功率1600kw，总装机9600kw，主机泵部分通过国际招标形式确定承包商。1.2机组总体布置整个水泵机组系统有进出水流道部分，水泵部分，齿轮箱部分，电机部分和辅助设备等组成。水泵为15斜式安装，叶片为半调节；采用中速电机，电机转速为1000r/min，通过两级齿轮箱减速传动，水泵转速为73r/min，进水流道为肘形进水，出水流道为变径扩散管，采用快速闸门断流。1.3流道部分流体数值计算进水流道为肘形管，出水流道为变径扩散管，均起水流的引导作用，在出水流道外安装快速闸门断流。流道大部分采用钢筋混凝土结构。进水流道的底板至叶轮中心高度为4.25m，叶轮的淹没深度在叶轮中心以上3.5m。传统的流道装置试验是根据原型机组的控制尺寸来设计模型泵的装置流道，通过试验后，对流道或水力元件进行修整，直到满足设计要求。通常这一过程投入的时间、人力、精力、物力都是相当大的。本项目的进出水流道特请武汉水利电力大学进行了流道流体数值计算，通过流体数值计算，计算出流道的水力损失为0.5m，由水利部天津水利水电设计研究院科研所进行模型装置试验，试验结果表明，流体数值计算的损失与试验结果基本相符。这一成果可以为今后的大型泵站提供理论依据。图一为经过流体数值计算后得出的模型流道形式。（图一）2大型斜式轴流泵设计水泵设计严格按照标书规定要求及国家有关标准执行；原型水泵的性能参数根据模型装置试验确定，原型泵水力元件设计严格以模型装置按相似定律进行设计（请见设计计算书及图纸）。2.1水泵结构水泵部分由转轮部件、泵轴部件、导轴承部件、泵体部件、泵轴密封部件、推力径向组合轴承部件组成，电机通过两级平行齿轮传动与水泵连接，机组的整体外观特请有关院校工业设计专业进行美化设计（请见图二）。图二机组三维造形图2.2转轮部件转轮是水泵机组的心脏，由转子体、叶片、压板等组成。叶片为ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢单片整体铸造，叶片叶型设计根据模型叶片严格按几何相似换算，铸件经热处理消除应力后，叶片表面进行打磨清除夹沙及表面硬皮，在三轴座标仪上进行打点划线，找出转动中心及0o基准线。叶片是保证水泵各项性能指标的关键，由于叶片是一空间曲面，传统的水泵叶片都是不进行机加工的，一方面是受到加工设备的限制，另一方面受传统理念影响，因此，原型泵组的各项性能指标能否达到期望的要求是难以保证的。本项目的叶片在大型泵上开创了机加工先例，而且采用的是当今最先进的五轴数控加工法。通过对模型泵叶片数控加工与打点加工对比试验，数控加工的叶片效率指标可提高1.5%，在设计净扬程为1.39m时的装置效率达69%。叶片加工精度的大幅度提高，使叶片型线偏差（标书要求为6.15mm,现图纸设计要求提高到4mm）、型面波浪度、叶片表面粗糙度及各叶片重量差等重要质量指标得到了提高，从而为泵站高效、稳定可靠运行提供良好保证。本项目单个叶片的设计重量为1950kg，按传统两叶片间的重量差不大于150kg，给转轮体静平衡配重带来很大影响，静平衡得不到保证，将影响机组运行的稳定性。叶片数控加工后，两叶片间的重量差只有6kg，转轮体的配重很小，静平衡精度大大提高，从而机组运行的稳定性有了可靠保证。叶片进口边头部采用五截面样板检验；转子体为ZG270-500整体铸造，球体采用数控机床加工；叶片采用螺钉及压板固定于转子体上，叶片角度采用圆柱销定位，并可根据工况要求，调整叶片角度（调角范围为-4+4），使叶片固定于某一角度运行，叶片出厂角度定为+2。2.3泵轴部件水泵轴为一端法兰的空心轴，泵轴下法兰与转子体联接，泵轴与转子体采用螺栓联接横销传递扭矩，泵轴上端与鼓齿联轴器采用键联结，通过鼓齿联轴器与齿轮箱轴相联，鼓齿联轴器之间尚有间隙，以便调整泵轴与齿轮箱轴的轴向距离及同心度；泵轴及水泵转动部分采用滑动轴承及推力组合滚子轴承支撑轴向力与径向力，滚子轴承采用球面调心滚子推力轴承。泵轴材料为35号钢整体锻件，长为8085mm，是该泵最长件；根据计算泵轴直径原为360mm，已能保证轴的强度及刚度要求，且有足够的安全系数；但考虑到该泵为斜式安装，轴的刚度将影响水导轴承的受力情况及泵的运行稳定性，因此设计时为了提高泵轴的刚度，泵轴直径加大到410mm，且在轴的中间打孔，去除锻造轴内部疏散的金属并减小轴自身重量产生的挠度。在与导轴承和填料密封接触部位，泵轴上堆焊3Cr13硬质合金，以提高泵轴表面硬度及抗磨性能，表面硬度达到HRC50以上；并采用专用设备对轴颈部位进行磨加工，导轴承部位轴颈表面粗糙度小于0.8m。3水导轴承部件的选用水导轴承是斜式泵机组的技术关键，也是影响机组可靠运行的关键部件。为此，国内已建的斜式机组在水导轴承运用上或多或少都出现过问题。太浦河泵站用泵水导轴承的选用上，对国内外有关滑动轴承生产厂商的技术、产品进行了广泛的研究，结合国内有关轴承专家的意见，决定采用西班牙塞德瓦公司的船用尾轴轴承产品；该导轴承采用稀油润滑轴承；轴瓦材料采用锡基白合金轴承材料，采用重力油轴承池润滑，润滑油由外部通过导叶片内的孔注入轴承内部，采用油浴润滑方式，整个轴承完全浸入润滑油中得到充分润滑，下部设有回油孔，可定期更换轴承内部的润滑油，并设有两个测温元件；轴承体及轴瓦均为轴向分半结构，轴瓦与轴承体采用球面接触，使轴瓦在轴承体内可以转动具有自调功能，可以消除由于轴系对中不好和运行时产生的不平衡力而造成轴瓦受力不均现象；轴承两端均设有两道骨架密封，两道骨架密封之间也采用重力油润滑。导轴承按径向载荷27吨设计，根据计算，所选用的导轴承最大可承载35吨。4泵体部分设计4.1泵体部分泵体部分包括前锥管、伸缩套管、叶轮外壳、导叶体、变径弯管、延伸管等零件，其结合面采用法兰刚性连接橡胶石棉板密封；其中叶轮外壳、导叶体、变径弯管均为轴向分半结构，以便于泵站安装、检修，其分半面采用螺栓连接、圆锥销定位、橡胶石棉板密封。叶轮外壳采用ZG270-500母体，内衬不锈钢，提高其抗汽蚀性能，在叶轮外壳顶部及底部均设有观察孔，便于观察叶片运转情况及安装、检修时测量叶片间隙及导轴承磨损情况，叶片与外壳之间的单面间隙为4mm左右；导叶体采用结构件，导叶体的法兰以及筒体采用Q235-A优质钢板焊接而成，可保证良好的外观质量和表面粗糙度，对导叶模具翼型进行检测，翼型符合图纸要求后，导叶片采取单片铸造，材质为ZG270-500铸钢，导叶片表面进行打磨加工，表面粗糙度不大于12.5m，再对导叶定位后进行焊接，从而确保零件和图纸一致，也保证了导叶体的水力性能。其他零件均采用Q235-A结构件；在变径弯管顶部设有进人孔，供安装和检修时备用；在前锥管、叶轮外壳、导叶体、变径弯管、延伸管上均设有支撑地脚，配置调整垫铁，便于安装时调整高程及水平；前锥管是进水流道与水泵的连接件，为了方便泵站安装，前锥管由一期混凝土埋设改为二期混凝土埋设，为了有效防止浇筑二期混凝土后的渗水现象，前锥管长度由700mm加长到1000mm，法兰外径由4800mm加大到4900mm；前锥管、变径弯管（下）、延伸管在水泵全部安装结束后，须浇注二期混凝土埋入基础中。4.2泵轴密封部件泵轴密封部件由填料盒、填料、填料环、填料压盖等组成；填料盒为整体铸铁件，填料盒须预先套装在泵轴上；填料环、填料压盖为中开分半件，填料为3535聚四氟乙烯石棉盘根，为改善填料润滑性能，采用压力清水润滑，压力水由外部专门供水的装置供给，需水量2L/S，水压为0.10Mpa；连接紧固件为不锈钢。4.3推力径向组合轴承部件组合轴承部件安装在变径弯管的尾部，主要承受水泵运行时的水推力、转动部分重量的径向分力。主要有：轴承体、轴承压盖、两个轴套、推力轴承、径向轴承及骨架密封组成；轴承体为轴向分半结构；推力轴承、径向轴承采用SKF进口轴承，采用稀油循环润滑，油号为N220极压齿轮油，与齿轮箱共用稀油站，油压为0.05Mpa，油量为0.3L/S，并设有温度监测，轴承两端均设有两道骨架密封；除轴承体外所有围圈零件均须预先套装在泵轴上。5.辅助设备：主要有润滑水系统、润滑油系统及自动化监测系统。5.1润滑水系统：主要用于填料密封处的润滑和冷却，要求供水充足而不间断。含沙量少，一般不大于0.050.1kg/m3，砂子的粒径不大于0.050.10mm，每台泵用水量为2L/S，压力0.10Mpa，开机前应先通润滑水5分钟后再开机。4.4润滑油系统除齿轮箱、电动机需稀油润滑外；水泵推力径向组合轴承采用稀油循环润滑，由齿轮箱稀油站分出，对于水泵长期不运转，运转前应先稀油循环5分钟后再开机；导轴承采用重力油润滑，油号为N220号机械油，在运行中应经常检查油位情况是否正