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给水泵叶轮裂纹原因分析及处理

发布时间:2019/10/10 15:06:59     作者:     来源:本站

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给水泵是水泵行业中常用的水泵,一般由:泵壳,叶轮,密封,支架,轴承箱,电机等部分组成。叶轮是水泵输送液体的主要部件,叶轮受损会大大影响水泵的流量,扬程等参数,对水泵性能要求就无法满足,如水泵叶轮出现裂纹是什么原因的,要如何改进呢?一、叶轮机械结构分析给水泵…

给水泵是水泵行业中常用的水泵,一般由:泵壳,叶轮,密封,支架,轴承箱,电机等部分组成。叶轮是水泵输送液体的主要部件,叶轮受损会大大影响水泵的流量,扬程等参数,对水泵性能要求就无法满足,如水泵叶轮出现裂纹是什么原因的,要如何改进呢?

一、叶轮机械结构分析

给水泵叶轮由前盖板、后盖 板、叶片、轮毂等部件组成。叶片与前盖板接口的 尖角设计狭窄,容易造成应力集中。在多种载荷 的共同作用下,叶片拉伸,其与前盖板的连接处产 生一个超负荷的应力,导致接口处逆向收缩产生裂 纹。

1、断口形貌分析

从叶轮上切取一个叶片试样,观察知裂纹从叶片 尖角处开始一路向后盖板扩展,于叶片与轮毂 交接处。实际测得的裂纹长度为70~80 mm。从叶片的 断面上观察到与裂纹拓展方向垂直的疲劳台阶,这是 金属疲劳断口最基本的宏观特性。5个叶片上的裂纹 走向及断面形式相同。用扫描电镜观察其断口,清晰可见 由疲劳台阶组成的海滩花样,整个断口上没有观察 到明显的塑性变形痕迹。由于滑移系数较低的钢铁材 料的疲劳辉纹往往较短、较小,再加上叶轮的转速较 高使得疲劳辉纹间距更小,所以难以观测到典型的疲 劳辉纹。但叶片上的裂纹断口平直,断口上有疲劳弧 形成的海滩花样,且从断口的宏观特性和叶轮实际的 运行工况判断,该断口的性质系脆性疲劳 [6,7]。

2、根据本章的分析,叶片产生裂纹原因总结如下:

叶片根部尖角设计过于狭窄,制造偏差使其刚度低于 设计值,运行过程中所受大载荷远远超过设计值。在多种载荷的综合作用下,叶片局部应力集中。经过 断口形貌分析确认,辅助给水汽动泵二级叶轮叶片裂 纹是材料脆性疲劳造成的。

二、叶轮结构改进

1、叶片、后盖板厚度

旧叶轮叶片设计厚度为5 mm,新型叶轮叶片设计 厚度改为7 mm;旧叶轮后盖板设计厚度为5 mm,新 型叶轮后盖板设计厚度为8.6 mm。由于整体上增加了叶片刚度和强度,实测值均高于设 计值,因此叶轮强度理论上应高于设计值。

2、叶片前缘长度

为解决所述的问题,新型二级叶轮将叶片 前缘缩短到叶轮内径处,生根位置增加至前、后盖板 两处,加工难度小,厚度尺寸控制精度高。叶片前缘 长度缩短,取消尖角,应力集中问题得到大幅缓解。

3、叶片受力有限元分析

由于设计缺陷,旧叶轮叶片尖角在 正常运行、小流量运行和超速跳闸运行工况下,叶 片入口原角处的峰值应力超过叶片材料抗拉强度。而设计优化后的新型叶轮叶片局部峰值应力大大降 低[8, 9],大为254 MPa,远低于屈服强度设计值(不 超过50%),解决了叶片尖角处抗拉强度不足的问 题,满足设计要求。

三、试验验证

对新型二级叶轮进行总时长为876 h的试验,包含4个阶段——水力性能试验、耐久性试验、小流量 试验(含超速停机和正常停机)和正常工况运行试验 等。在完成每阶段试验之后,均对泵进行解体检查, 以证明新型二级叶轮满足电厂全寿期内的设计要求。

1、小流量工况下扬程轻微下降现象

小流量工况(25 m3/h)下扬程下降约10 m,下降 幅度约1%。该微小偏差可能是因为泵经历了较长时 间的耐久试验,前后口环泄漏轻微增加,造成小流量 对应效率轻微下降。此系正常磨损,根据GB/T 3216- 2005规定[11],水力性能偏差≤3%,在1级标准范围内, 因此判断其不影响设备正常运行。

2、汽蚀现象

对改进型叶轮进行检查时发现叶轮入口处存在 轻微汽蚀的现象。由于汽蚀坑深处小于0.5 mm, 经过整个876 h的试验后,汽蚀程度没有明显恶化趋 势。因此,新二级叶轮产生的微小汽蚀坑不会对叶 轮的整体机械强度造成影响,同时,辅助给水汽动泵,泵的汽蚀余量为7.24 m,而现场ASG001BA的正常水位为13~14.52 m,因此判断泵在 正常运行时发生汽蚀的可能性极低。

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