离心铸造叶轮

关键词： 叶轮 铸造 离心泵

离心铸造叶轮（精选八篇）

离心铸造叶轮 篇1

KPS型单级双吸离心泵是近几年新开发的节能环保型泵产品,广泛应用于石化、钢铁、电力、城市自来水等领域。叶轮作为泵产品的核心部件,其形状和尺寸精度直接影响泵的性能[1]。KPS型单级双吸离心泵叶轮的坯料用砂型铸造方法生产,材料牌号为QT500-7,模具以金属铸铝为原材料进行加工。在生产实践中发现,绝大多数单级双吸离心泵叶轮出水口尺寸比零件图纸尺寸宽,而且叶轮口径越大,变宽程度越明显。叶轮出水口变宽直接影响泵的性能,严重时会导致整台泵性能不合格。针对发现的问题,对KPS型单级双吸离心泵叶轮进行检查和统计,通过检测数据对叶轮出水口变宽的原因及其产生的机理进行分析探讨,并提出解决问题的方案。

2 数据统计

针对发现的问题,跟踪调查了八种型号KPS泵叶轮,叶轮测量示意图如图1所示,统计结果如表1所示。

注:(1)铸件尺寸是指测量叶轮所得的实际尺寸,其中A、B、C为不经加工的铸造尺寸,D为加工后的尺寸;(2)尺寸B中的铸件尺寸为叶轮的出水口宽度,理论上左右出水口宽度应相等,实际铸件两者存在一定差别,因而尺寸B有两个数字;(3)尺寸D为叶轮外缘直径,是设定分型负数的重要参考值。

3 统计数据分析

从表1的数据中可以看到以下几点:(1)对于A、B尺寸,模具尺寸要小于图纸尺寸,这主要是考虑造型合箱时砂型(芯)的抬高及砂芯上涂料后会增加A、B的宽度,模具设计时要考虑抵消这两个方面的增加值,对C尺寸,模具设计尺寸与图纸要求尺寸基本一致;(2)铸件的A、B尺寸几乎都大于模具尺寸,在16组数据中只有一组两者相等,表明叶轮出水口宽度在铸造过程中增大了;(3)叶轮尺寸A越大,铸造过程的增加值越大,叶轮出水口的增加值变化见表2;(4)叶轮尺寸B变宽的趋势与A尺寸相似。

mm

表2中,△A=A铸件尺寸-A图纸尺寸;△B=B铸件尺寸-B图纸尺寸;F实际预留分型负数=A零件尺寸·η铸件收缩率-A模具尺寸,其中,铸铁收缩率η取经验值1%。

4 原因分析

影响叶轮铸件出水口变宽的因素很多,但主要有四个方面:1)造型及合箱时在垂直于分型面方向上的抬高;2)涂料层厚度的影响;3)砂芯的变形;4)铸造实际收缩及收缩率。下面具体分析各影响因素。

4.1 造型及合箱时在垂直于分型面方向上的抬高

造型及合箱时在垂直于分型面方向上的抬高一方面包括制芯过程中,芯盒配合表面的散砂使出水口砂芯相比模具的实际尺寸有所增加。此增加值较小,一般为0.5mm左右,主要是单个散砂颗粒的粒度;另一方面,由于各砂型、砂芯接触表面一般都不可能很平(如沙粒本身的不平整性;烘干时砂型、砂芯的膨胀导致的分型面不平以及变形等),合箱时各接触表面会自然抬高,以及由于砂型、砂芯的不平整性,为防止浇注时漏铁水,合箱时一般会在分型面之间垫石棉绳或封箱膏,这是造型和合箱过程中垂直于分型面方向的尺寸被抬高的主要原因。为此,需在模型上减去这个被抬高的尺寸,被减去的尺寸即称为分型负数[2],属于一经验值。根据表2可以看出,叶轮模具在设计时已考虑了分型负数,用以消除或近似消除因造型和合箱造成的尺寸影响。而且根据叶轮铸造工艺特点,在分型面之间垫石棉绳或封箱膏虽然增加了铸件在垂直于分型面方向的尺寸,但对叶轮出水口的变宽是没影响的,它只影响叶轮盖板的厚度。叶轮出水口宽度主要由上下两个砂芯及下芯后的高度决定,图2所示为“芯1”与“芯2”在垂直分型面方向上的高度和两芯下芯时接触面的实际抬高值。因此,综合上述分析可得出以下结论:造型及合箱时在垂直于分型面方向上的抬高,有导致叶轮出水口变宽的客观趋势,且考虑到设定的分型负数值为一经验参数值,若预留分型负数过小,将使出水口变宽。但根据公司几十年的铸造经验和表2中的数据来看,分型负数设定的偏差不至于导致叶轮出水口实际变宽得如表2中厉害;同时,由于造型合箱时在垂直于分型面方向上抬高的值是随机值,而随机值也不可能造成叶轮出水口普遍且稳定的变宽结果。

4.2 涂料层厚度的影响

叶轮砂芯上下表面涂刷铸造涂料后,高度方向尺寸会变大,其变大的尺寸值主要是涂刷涂料层的厚度。根据公司的铸造经验数据,铸铁件单边涂料层厚度一般为0.2~0.5mm,铸钢件为0.3~0.8mm。也就是说,涂料层对叶轮出水口影响的尺寸范围为铸铁0.4~1.0mm,铸钢0.6~1.6mm。而根据表2统计的结果显示,叶轮出水口变宽的实际值△A(或△B)普遍大于铸铁件的最大涂料层厚度值,以及根据表1得出“零件尺寸A越大,变宽的绝对值越大”的结论,这一方面表明叶轮出水口变宽的主导因素不可能是涂料层;另一方面也说明涂料对铸铁件叶轮出水口的实际影响较小。

4.3 砂芯(型)的变形

砂芯(型)变形产生原因一般有两种情况:(1)砂芯太薄,在放置及下芯后因重力作用的变形;(2)砂芯在烘烤及冷却过程中的胀缩变形。根据叶轮铸件的特点,砂芯(型)变形后的合箱一般会导致出水口尺寸变化。但根据统计得出的“零件尺寸A越大,变宽的绝对值越大”的结论,因重力使砂芯变形后导致叶轮出水口变宽的情况可以排除;而胀缩变形对叶轮出水口变宽的影响应该存在,但不能产生普遍性的结果。

4.4 铸件实际收缩及收缩率

铸件的收缩一般分三个阶段[3],即液态收缩阶段、凝固收缩阶段和固态收缩阶段。液态收缩阶段是指金属液自浇注温度到凝固开始的温度(液相线温度)阶段,这个阶段金属的收缩是在液态下进行的,故称液态收缩。液态收缩是金属未成固态之前的液体体积的缩小,表现为型腔内液面的降低,这是产生缩孔和缩松的基本原因。

凝固收缩是指金属自凝固开始温度(液相线温度)至全部凝固成固态的温度(固相线温度)阶段。这一阶段主要表现为枝晶的形成和晶核的长大,并伴随着初始的铸件收缩,此时的收缩对铸件的影响表现为热裂纹、缩孔及缩松的产生。

固态收缩阶段是指固相线至室温阶段,由于这个阶段的收缩是在固态下进行的,故称为固态收缩,亦称线收缩。这一阶段主要表现为铸件各方向尺寸由高温到室温的缩小。

由三个收缩阶段的分析可知,对叶轮铸件的尺寸产生影响的主要是固态收缩阶段。

叶轮铸件收缩原理分析如下。

公司叶轮模具设计时,对其收缩规律的一贯认识是:径向和轴向方向,铸件的收缩总是向内缩,且轴向与径向收缩率一般取相同(铸铁1%,铸钢2%~2.8%)。但通过对统计数据的进一步分析和对泵叶轮收缩规律的重新探析发现:在叶轮轴向出水口方向,上下盖板间的收缩很小,并且出水口方向盖板的收缩不是向内缩,而是向外“张”。

图3为叶轮三维效果图,图4为叶轮半剖视图。从叶轮结构看,上盖板(1)和下盖板(3)与中间板(2)属于离散结构连接而非实体连接,之间仅靠7片叶片相连。这样,叶片在叶轮整体收缩过程中仅相当于拉筋的作用,对叶轮的整体收缩在尺寸上不会产生影响,它只是叶片根部产生热裂和冷裂的原因。所以,对叶轮铸件的收缩,可以简化为盖板(1)(3)和中间板(2)各自收缩结果的合成。

对盖板(1)内侧面收缩分析。根据铸件收缩特性和固态收缩原理,很容易得到,盖板(1)的内侧面是按图4中S和N两个方向进行收缩的,收缩的最终结果是S和N两反方向收缩的矢量合成。即在径向表现为叶轮口径的变小,且收缩率相对较大;在轴向(出水口高度方向)表现为出水口往外“张”,出水口变宽,且此方向收缩很小。由于叶轮的对称结构,下盖板(3)的收缩情况与上盖板(1)相同,而中间板(2)(以一个侧面为例)的收缩情况则为S'和N'方向收缩的矢量合成。由此可知,叶轮收缩结果是:径向尺寸收缩变小,轴向(出水高度方向)尺寸“收缩”外张,最终产生的叶轮出水口是变宽趋势,而不是往内缩的变窄。因收缩方向的理解性错误所导致的出水口偏差的理论值如表3所示(以铸铁为例)。

表3中数据通过下式计算:△A’=A零件尺寸·(1+1%)-A零件尺寸·(1-0.5%),其中△A’表示零件因收缩方向及收缩率导致的两种收缩模式所产生的尺寸差异值,“+1%”表示按先前收缩模式修正的铸件收缩率,“-0.5%”表示按分析后的收缩模式修正的铸件收缩率。△B’计算原理与△A’相同。

从表3中收缩差异值△A’(△B’)可以看出:由收缩方向性理解的错误导致叶轮出水口变宽的趋势是明显的,也是一贯的。

5 实例再验证

为验证上述分析的正确性,在没有改变模具、规范和精细了铸造操作的基础上,针对性地选择KPS 55-800叶轮进行试铸再验证,测绘了8组数据,见表4。

6 结论

(1)造型及合箱时砂芯(型)在叶轮出水口宽度方向上的抬高,有导致叶轮出水口变宽的趋势,但它所导致的变宽程度是随机的,没有普遍性;对于这一变宽趋势,可以通过模具预设分型负数来尽可能地消除。

(2)涂料层厚度对叶轮出水口变宽有影响,但相比实际变宽结果,其影响相对较小,模具设计时,铸铁件可以不予考虑涂料层,铸钢件应考虑涂料层厚度。

(3)砂芯(型)的变形可以导致叶轮出水口变宽,但它的作用相对来讲是没有规律的,对于这一影响应以预防和规范造型操作为主。

(4)对叶轮铸件收缩的认识错误是导致叶轮出水口变宽的一个主要原因。叶轮铸件在出水口宽度方向的实际收缩应是向外“张”,而不是一贯认为的向内收缩,且在轴向(出水宽度方向)的收缩率比径向要小。

(5)考虑泵叶轮使用实际要求,叶轮模具的设计制作在出水口方向可以不预收缩。

参考文献

[1]张克危.流体机械原理(上)[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]《铸铁手册》编写组.铸铁手册[M].北京:机械工业出版社,1976.

离心铸造叶轮 篇2

关键词：离心泵；叶轮；切割定律；公式；应用

离心泵已广泛应用于国民经济的各行各业。在泵生产及应用过程中，人们经常遇到的问题是泵的性能参数、设计要求及使用要求或多或少的存在偏差，这就要求通过最少的工作量或改变最少的零件，使泵的性能参数的到校正，以期满足人们对其性能的各种要求。通常的做法有一下几种：1、利用管线配置的阀门进行调节。2、改变转速。3、切割叶轮，使泵性能满足要求。下面将某石化公司动力站的一台疏水泵P203B切割叶轮试验加以论述。

一、叶轮切割背景

某石化公司动力站有2台容积15m?的疏水箱D205AB，平时收集中、低蒸汽凝结水、除氧器排汽冷却水和锅炉热备用的排水，疏水箱配备2台疏水泵P203AB型号为IR65/40/250A，铭牌参数流量为30m?/h，转数2980r/min，扬程60m，配备的电机为15KW，额定电流为29.4A，湖南长沙水泵厂，原设计两台疏水泵一开一备，间歇性启动，即当疏水箱液位升高至1700mm时泵自启动，当液位降至400mm时泵自停，由于设计当初未考虑锅炉热备状态的排水情况所以导致泵的启停非常频繁，对设备本身的使用寿命有很大的影响，后来通过技改技措在泵的出口处增加回水管，并增加调节阀，通过自动调节疏水箱液位来实现泵的长周期运行，当疏水量较少的情况下此运行方式可以运行，当2台锅炉同时投备用时，水量较大，水泵的出口阀开度较大，导致水泵电流有超额定电流现象，在此泵检修时发现电机线圈有变黑迹象，说明这种工况不能保证电机长周期安全运行，电机过负荷即不经济也不安全，严重影响到了设备的安全生产运行和无法满足工艺生产运行，这就要求生产单位尽快制定方案解决问题，第一种方案是零购更新2台新的疏水泵，增大流量，预计费用在5万元，第二种方案是查找国内成功案例结合离心泵叶轮切割定律的公式对泵进行小改造，看能否在满足现场运行的情况下，使电机电流保持在额定电流70%-80%，才能保证电机长周期安全运行。

二、查找国内成熟经验

通过和沈阳某泵业公司技术交流和在网上查阅大量资料，其中山西某热电公司现场循环冷却水泵有此类成功经验，以此为鉴，通过公式计算来进行切割试验。

在我国国能泵行业，通常采用下列公式来确定叶轮的切割量：

因切削目的是希望电机现电流是额定电流的80%，即23A运行时电机功率为12KW，利用带入公式求的D’=226mm

三、切割后的参数对照表

四、切割后的效益

（一）实现了泵的长周期运行，满足的工艺运行要求，大大的减少了操作人员的工作量，和检修单位的作业工作量。

（二）若整体更换新设备的话大概的费用在50000元，改造叶轮的费用在2000元，直接节省经济效益在48000元。

（三）该方案降低了耗电量，经济效益显著。按照降低的电流29A-23A=6A来计算，本台小泵每年为公司省电2.5万度电。此方案可以广泛推广，用在大泵上的话经济效益显著。

（四）提高了设备安全运行水平，原运行中电机温度75℃，现在长期运行温度小于65℃，保证了电机安全运行，延长了电机使用寿命。

（五）此项改造是针对电流进行改造，我们用过公式可以看出来，如果对压力或流量有要求的话可以也可以通过此公式进行切割。

参考文献：

[1]沈阳水泵研究所.离心泵的原理与设计[J].水泵技术，1993（3）：23-24.

[2]袁寿其.低比转数离心泵理论与设计方法的研究[J].南京：江苏理工大学博士学位论文.1994.

离心风机叶轮的改造分析 篇3

随着国家经济形势发展, 节能减排日益重要, 风机行业的节能减排同样举足轻重。在我国, 造成风机电耗过大的主要因素有内效率低、系列型谱不全、装置效率低、管路系统设计不合理、实际工作点偏离最高效率工况点、配套电动机容量选取偏大、管理不善等。目前, 我公司生产的某机车辅助变压器柜离心风机耗能较大, 效率仅有40%左右, 为此本文作出具体改进措施, 以达到节能目的。

1 风机简介

该离心风机用于机车辅助变压器柜内部空气循环, 以提高其内部元件散热能力, 加快内部开启流动, 使部件不致局部过热。它主要由叶轮、三相异步电动机、机壳、进风筒、安装板等零部件[1]组成, 结构如图1所示。

2 风机具体改进

2.1 常用节能改造措施

目前, 风机节能改造主要从以下两个方面进行[3]:一是从产品设计角度来提高风机在设计点和工况区的效率;二是从产品现场实际运行的情况来尽可能地提高其实际运行效率。从产品设计角度来挖掘风机节能潜力, 其主要承担者是从事风机设计研发人员。设计人员在设计风机时最重要的性能指标就是效率即节能。从设计方面考虑, 提高风机效率的方法有多种, 但主要措施有如下几点:1) 设计采用三元流动叶轮, 这样的叶轮可使在同等流量、压力条件下的风机效率提高5%~10%;2) 新型风机设计好之后, 制造出风机模型进行试验, 验证其设计效果, 若达不到预期效率目标, 还要做设计修改、再试验, 直到满意为止;3) 采用一些流体分析软件来提高其产品设计性能。

2.2 叶轮改造

笔者公司生产的该风机效率仅有40%左右, 效率比较低, 从设计角度来看我们可以通过采用三元流动叶轮、适当改变径向间隙、在原蜗壳基础上再加个蜗壳等方法来提高其效率。而影响效率的关键零部件是叶轮, 故需改造叶轮。图2所示为5-29No5.5离心通风机[2]叶轮改造为三元叶轮后的性能曲线, 从图中可知, 三元流动叶轮风机全压内效率比一元叶轮风机高, 平均高出5%, 最高点可以达到89%, 大大地提高了风机高效工作范围。从上述的实例可知, 将原有的圆弧型叶轮改为三元扭曲叶片[4], 可使其效率、工况得到提高, 故将该风机叶轮改造为三元叶轮是行之有效的, 具体过程如下:

2.2.1 进行子午面成型

1) 先确定子午面的四个点A、B、C、D坐标, 接着绘制其子午面轮廓线AD、BC。

2) 先根据两相邻辅助线之间的过流断面面积相等的原则来确定辅助线进出口的位置, 再确定进、出口附近辅助线的形状, 最后得出辅助线中间形状, 即图中EF、GH、IJ曲线。

2.2.2 进行径向面成型

1) 在子午面上对轮廓线和各辅助线进行分点以确定它们进口处在方格网上沿纵轴方向的位置。

2) 根据辅助线和轮廓线几何位置计算各点叶片进口角。

3) 根据计算所得的叶片进出口角β1、β2分点的位置, 在方格网上作出各辅助线和轮廓线的位置, 以确定叶片进口边的位置、包角大小、各曲线的相对位置, 以及叶片扭曲的程度。

4) 确定在径向面上成型曲线的几何方程, 也即确定各成型曲线在径向面的几何形状。

5) 进行三元流动校核计算, 以检查叶轮气动性能。当气动性能不好时, 需进行叶型修改, 修改一般在子午面内进行, 直至气动性能满意为止。

6) 根据方格网上进口边的位置以及成型线在径向面上的几何方程, 即可绘制叶片在径向面的投影。

7) 作出轴面截线的骨线 (见图3中0-0、1-1、2-2…………15-15曲线) , 将轴面截线在径向面的投影为一直线 (见图3中射线0、1、2…………15) 。

8) 根据公式求出圆周方向厚度和垂直圆周方向的厚度, 分别在子午面和径向面上进行加厚。

最终得出大致的三元叶轮成型图, 如图3所示。

4 结论

针对某机车辅助变压器柜离心风机效率低这一问题, 本文提出改进措施来提高其效率, 以达到节能的目的。经过分析, 最终采用三元流动理论来对叶轮进行重新设计改造, 此种方法是行之有效的, 它在一定程度上提高了风机效率, 高效工况区也相应拓宽, 确保了风机性能的稳定, 设计人员容易掌握, 并且可实现降本增效, 提高企业经济效益。

参考文献

[1]李庆宜.通风机[M].北京:机械工业出版社, 1983.

[2]黄修乾.离心风机三元叶轮优化设计及实验研究[J].甘肃工业大学学报, 1991, 17 (4) :7-14.

[3]沈秀惠.提高风机系统节能改造的途径[J].煤矿机械, 2007, 28 (9) :162-163.

离心泵叶轮变径实践 篇4

现有文献中介绍的叶轮切割公式差距甚大, 根据实践, 下列公式较合理、实用。

对低比转数 (ns=30~80) 的离心泵

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对中、高比转数 (ns=80~300) 的离心泵

undefined;undefined;undefined

式中:D2、D′2——叶轮切割前后的外径 (mm) ;

Q、Q′——叶轮切割前后的流量 (m3/s) ;

H、H′——叶轮切割前后的扬程 (m) ;

N、N′——叶轮切割前后的功率 (kW) 。

在选用切割公式时, 优先选用扬程计算公式来求D2为最佳, 但公式求出的D′2并非实际切割后的外径, 实际切割量尚需修正, 根据叶轮切割实践, 总结出了较为实用的几种方式和修正系数。

1 对计算D′2的修正

用公式 (1) 和 (2) 求得的D′后再进行修正, 在实际工作中, 采用修正系数K后实际车去的值比计算出来的D′值小。实际车去的值应为ΔD=K (D2-D′) , K=0.75~0.98, K值与ns的关系, ns越小, K值取大值;ns越大, K值取小值;K值与ns的关系, 见表1。

2 离心泵叶轮切割的几种实用方式

离心泵叶轮切割的主要方式有两种:一种是只

车去叶轮末端, 保留盖板;另一种是叶片及盖板一起车掉。对于同比转数及不同机构的叶轮, 提出了几种实用的切割方式[1]。

2.1 对ns=30~80的低比转数单及离心泵叶轮

试验资料表明, ns=30~80的低比转数单级离心泵叶轮, 盖板连同叶片一起车掉时, 扬程下降而效率有所提高, 这一点在低比转数的叶轮切割中得到证实。

2.2 对ns=80~150的中比转数单级离心泵叶轮

试验表明, ns=80~150的中比转数单级离心泵叶轮, 一般都是盖板连同叶片一起车掉, 也可以保留盖板而车叶片, 后者由于导流情况好, 所以扬程较高, 但因圆盘摩擦损失稍大, 其效率要比盖板连同叶片一起车掉的低一点。

2.3 对ns=150~300的高比转数单级离心泵叶轮

资料表明, 对ns=150~300的高比转数单级离心泵叶轮, 最好前后盖板车成不同直径, 前盖板处的直径D′要比后盖板出的直径D″2大, 平均直径D′为:undefined。另外, 对这种叶轮也可以只车叶片, 保留盖板, 这样导流情况较好, 扬程不致下降太大。

3 比转数与允许切割量的关系

叶轮切割量不宜太大, 应控制在一定范围内, 否则叶轮与泵壳之间间隙过大, 增加了回流损失, 水泵效率下降严重, 影响水泵的经济运行, 故一般切割量不超出表2规定值。

4 切割后叶片末端的修复

离心泵叶轮片经切割后, 出口端变厚, 影响水泵的流量和扬程, 因此宜采用锉削的办法使其出口部分在足够长的范围内恢复以前的形状, 以改善水力性能。

锉削的办法有两种:一种锉削叶片工作面, 另一种锉削叶片背面。一般来说, 锉削工作面只是恢复了原来出口角, 对水泵性能影响不大, 锉削背面则可增大叶轮的有效出口面积, 使水泵流量增大。

锉削完成后, 如有条件, 对叶轮重做静平衡试验, 以消除不平衡量。

5 离心泵叶轮切割后的节能效果

离心泵叶轮切割是为了扩大水泵的使用范围, 调节水泵工况点, 或由于某种原因机组配套不合理, 为了减小流量和扬程而对叶轮进行切割使用。若为减少流量, 车削后水泵轴功率N′要比用闸阀减小流量时水泵的轴功率N小, ΔN=N-N′, ΔN即为节约的功率, 也就是所节约的电费E=ΔN×t (度) ;若为了降低水泵扬程而对叶轮切割使用, 车削后水泵功率N′比高扬程时的功率N小, ΔN=N-N′, ΔN即为节约功率, 因此而节约了电能。离心泵叶轮切割后的节能效果已在实践中早已证实, 这里不做实例列举。

6 利用叶轮切割理论在实践中增大叶轮外径

D2, 同时增大叶轮出口宽度b2, 提高水泵的流量

6.1 理论设想

本工程三泵站 (2003年前) 装有4台24sh-19型水泵和1台250s-39A水泵, 共5台水泵, 总流量为3.04∕s。由于水泵效率下降, 上下级泵站机组不配套, 出现“卡脖子”现象, 即二泵站提上来的水, 三泵站抽不完, 再加1台水泵又不够抽, 须压阀运行, 浪费了电费, 又增加了机组的维修量。因此, 设想在不增加设备投资的情况下, 在现有水泵上寻找问题的突破口。这样推理, 根据叶轮切割定律, 既然叶轮将直径D2车小后, 能减小水泵流量, 那么将叶轮直径D2增大后, 水泵的流量肯定能增加。但是关于把水泵叶轮直径加大的资料从没有见到过, 我们决定先试1台水泵, 再做理论论证。在水泵几何尺寸许可下, 我们把24sh-19水泵叶轮直径由540mm增大到550mm, 同时把叶轮出口宽度由170mm增大到190mm, 经现场实践, 加大叶轮直径后, 水泵的流量明显增加, 三泵站“卡脖子”问题终于解决了, 水泵在运行时, 无异常现象发生, 现已安全运行多年, 没有发生问题, 电机电流由36A增大到40A, 在电机的额定电流之内, 电机无过载现象。

经我们多年实践, 增大叶轮外径D2, 同时增大叶轮出口宽度b2, 完全可以增加水泵的流量, 在不增加设备投资, 又能多提水, 可以有效地调节水泵工况运行参数, 在我工程已推广使用, 收到很好的效果。

6.2 理论根据

对加大叶轮外径D2及出口宽度b2在实践中的应用是成功的, 但在理论上能否成立, 需要进行有关理论的推理和论证, 推理论证得到的有关参数变化计算公式与实际情况相比较, 是成立的, 现推导如下:

根据水泵流量的表达式[2]:Q=πD2b2φ2Cm2η容

式中:D2——叶轮外径 (mm) ;

b2——叶轮出口宽度 (mm) ;

φ2——叶轮出口排挤系数;

Cm2——叶轮出口处水流的轴面速度;

η容——水泵的容积效率。

那么, 叶轮外径、出口宽度增大前后的流量比为:

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式中标带“′”表示叶轮直径、同时增大叶轮出口宽度b2增大后的各参数。

由于在增大叶轮外径D2的同时, 叶片出口宽度b2增大, 此时叶轮过流面积增大, 即πD2b2Cm2≠πD′2b′2C′m2, 假设η容=η′容, φ2=φ′2

则 (1) 式变为undefined

假设叶轮D2、b2变化后的出口速度三角形相似, 如图1所示, 故

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将上式代入 (2) 式得到:

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由水泵的基本方程式:undefined

故undefined

因为undefined

则undefined

根据水泵轴功率公式:undefined

式中η=η容η水η机

则undefined

假设水泵变化后D2, b2水泵效率相等,

即η′=η

则 (5) 式undefined

由公式 (3) 、 (4) 、 (6) 构成叶轮外径D2、出口宽度b2增大后的流量、扬程、功率计算公式, 即:

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6.3 实践结果分析、结论

现以该工程三泵站1台24sh-19水泵为例, 具体论证叶轮外径D2、出口宽度b2增大时, 水泵流量等参数的变化情况以及节能效果。

由于我工程不具备试验条件, 因此本文主要以水泵运行的实测参数为计算依据。24sh-19水泵的高效工况参数为Q=0.88m3/s, H=32m, 89%, N=310kW;配套JSQ-1410-6电动机Pn=380kW, Un=600V, In=46A, cosφ=0.87, η电=92%。由于实际运行时, 水泵流量并未达到其额定流量0.88m3∕s, 所以, 这里先计算水泵的实际流量Q。

使用标准叶轮时, 电机的实测运行参数电压U=6kV, I=36A, 此时, 电机的输出功率为:

undefined电

水泵的轴功率为undefined

因为P=N

undefined

由加大叶轮外径D2、出口宽度b2时的流量计算公式求出加大后的水泵流量:

undefined

得undefined

实际增大流量:

Q=Q′-Q=0.966-0.849=0.117 (m3∕s)

就是说增大叶轮外径D2、出口宽度b2时, 水泵每小时能多提水:

Q=△Qt=0.117×3600=422 (m3)

现以1台24sh—19水泵年提水1000万m3来计算, 加大叶轮后的节能效果。

使用标准叶轮时, 水泵提1000万m3水, 所需时间T:

undefined

电机消耗总电能为:

undefined

使用加大叶轮时, 水泵提水1000万m3, 所需时间T′为:

undefined

此时电机总电能:

undefined

因此1台24sh-19水泵年节约电能△N为:

N=N-N′=1064928.3-1039930.9

=24997.4

摘要：提出了离心泵不同比较数叶轮切割计算公式。根据实践结果给出公式的修正系数。阐述了具体切割方法与结果;同时论述了在增大叶轮参数D2、b2时, 离心泵各参数计算公式以及节能效果。

关键词：离心泵,叶轮,变径计算,节能效果

参考文献

[1]张元华.切割定律的研讨[M].排灌机械, 1992.

某型离心叶轮叶片固有频率测试研究 篇5

关键词：锤击,静频,激光,固有频率,激励,声压

1 概述

在航空发动机的生产、研制和使用中, 叶片振动问题十分突出。为预计叶片振动特性, 找寻振动原因, 排除叶片振动故障, 必须测定叶片振动特性参数。叶片振动特性参数通常是指:叶片的静频、振型、阻尼和振动应力等。静频是指叶片在非旋转状态下的自振频率。通常情况下, 在生产或排故中我们通过控制静频来反映叶片振动特性。

2 固有频率测试理论

2.1 固有频率理论

固有频率是机械振动系统的一个重要特性, 它由振动系统本身的参数所决定。研究振动问题时, 在很多情况下, 需要首先确定系统的固有频率。

实际的振动系统在其振动的过程中总是要有能量消耗的。即有阻尼的自由振动系统。

系统的方程是:

如果在阻尼系统上加一简谐干扰力 (F=F0sinωt) , 则单自由度受迫系统稳态方程为:

其稳态振动加速度为

从上述式中看出, 假定激励的幅值F0不变, 在ω变化时, 加速度值ω2B也随之变化。加速度幅值的极值条件为: (其中ζ为阻尼系数) 。通常所说的共振, 是指当激励频率达到某一频率时, 振动的幅值达到最大的现象。

锤击法就是通过锤子对试件的激励, 引起试件的共振, 测量出共振频率来得到试验件的固有频率。

2.2 固有频率的测量

在锤击法中, 一般是通过两种方式来测量试验件共振时的频率, 一种是接触式:通过在试验件上安装传感器 (如加速度传感器) ;另一种是非接触式:通过非接触式传感器 (如激光、麦克风探头) 。接触式测量方式由于要在试验件上粘贴传感器, 传感器的质量会给试验件带来附加质量, 影响结构的阻尼和模态, 对固有频率的测试有些影响, 特别是小的试验件, 不但影响测试精度, 而且粘贴位置非常难确定, 因此接触式测量法主要用于体积、质量大的试验件。非接触式传感器一般常用的有激光测振仪和传声器。通过激光和传声器来测量试件共振时的振动值和声压值。

2.2.1 声压测试原理。

传声器是将声能转换成电能的电声换能器。作为测量仪器它是将声波信号换成电信号的传感器, 可以直接测量声场和声压。

声音的频率成分很复杂, 包含许多不同频率的分量, 这些分量按频率连续分布。频率是声音的主要属性之一, 它将决定声音的作用、影响, 以及声源的自身特征。一定的结构, 尺寸和材料, 以及一定的激励方式, 决定了具体系统的频率值, 称为系统的固有频率。当外界激发力的频率 (也叫工作频率) 与固有频率吻合时, 就形成共振, 共振时很微弱的激发力就可以引起很大的运动振福。通过测量声音的振幅, 就能得到共振系统的固有频率。

2.2.2 激光测试。

激光多普勒技术是1990年后成熟起来的技术, 利用激光多普勒效应, 不仅能测量固体的振动速度, 而且也能测量流体 (液体和气体) 的流动速度。

激光多普勒测振精度高, 动态范围大, 适用对象广, 抗干扰能力强。

3 某型离心叶轮叶片固有频率测量

某型离心叶轮需要对其进行固有频率测量, 以验证是否达到合格的标准。

3.1 接触式测量方案

某型离心叶轮, 需要测试的叶片主要材料是钛合金, 叶片很薄, 排列紧密, 常规的固有频率测试法是在要测量的叶片上粘贴小型的加速度传感器, 利用力锤敲击要测量的叶片, 通过频谱分析仪测量、分析加速度传感器输出的共振信号, 求出叶片的共振频率即为此叶片的固有频率。

按照常规经验, 我们在要测试的叶片上粘贴了一个小型的加速度传感器PCB3312, 由于叶片很薄且弯曲曲度大, 叶片相互间排列非常紧密, 粘贴加速度传感器时位置很不好确定, 通过多次测试, 我们发现传感器粘贴位置不同, 测量的固有频率有差别, 而且重复性不好。经过分析, 原来所测试的叶片质量很小, 传感器粘贴上后附加质量影响了叶片的结构阻尼, 传感器粘贴不同位置, 阻尼影响的大小也不同, 因此, 用常规的接触式测量方法已经不能准确的测出叶片的固有频率。

3.2 激光测量方案

由于激光测振仪的精度很高, 我们接着选择了用非接触式测量法的激光来测试。测试系统图见图1。

通过大量试验, 我们发现, 由于激光对叶片没有任何影响, 固有频率的测量准确度和重复性非常高, 但由于离心叶轮叶片曲率高, 叶面弧度大, 激光测振仪对反射光的强度有一定的要求。在试验中经常找不到反射强的位置, 特别是敲击时, 叶片振动比较大, 往往捕捉不到反射光, 加大了测试难度, 一个叶片测试需要反复调节激光头的位置, 同时叶片的2阶和3阶固有频率测试不到, 这种方法不利于以后生产车间大规模生产时工人的操作。

3.3 声压测量方案

鉴于激光传感器对反射光的要求, 经过研究我们决定使用另一种非接触式测量方案一声压测试法。用麦克风传声器代替激光传感器, 敲击时测量叶片共振产生的声音, 通过频谱分析软件, 找出测量的声压的共振频率, 即为所测叶片的固有频率。在试验中, 我们发现由于叶轮的叶片薄且密, 敲击一片叶片时, 激起的声音对相邻的叶片产生回响, 测量的声压干扰很大, 因此我们用泡沫将不测的叶片塞住, 防止其它叶片对测试叶片产生影响, 大大提高了测试精度。

经过多次试验, 我们得出声压测量法准确性和重复性多很高, 在没有夹具的情况下, 可以把离心叶轮直接放在一块海绵上, 不用专门的夹具。使测试设备少, 操作更加简单。

4 结论

固有频率测量方法很多, 根据测试件的大小, 材料等可以选择不同的方法, 某型离心叶轮由于采用高硬度的钛合金, 重量轻, 体积小, 叶片形状不规则, 弯曲曲率大而且薄, 用声压测量法测量比用其它方法在测量难度、数据准确度、测量硬件等方面有很大的优越性。

参考文献

[1]寇惠, 韩庆大.故障诊断的振动测试技术[M].北京:冶金工业出版社, 1989.

[2]陆国明, 杨炳渊.用锤击法测定燃气涡轮叶盘的模态参数[J].强度与环境, 1988.

离心压气机叶轮边缘断裂有限元分析 篇6

压气机叶轮是增压器的主要工作元件之一, 其作用是将涡轮输送来的机械能转化为气体的内能和压力能［１］。涡轮增压器的转子在工作过程中处于高速旋转的状态, 所处的工作环境比较恶劣, 叶轮所受的离心力比较大。在离心压气机工作过程中如果叶片或轮盘断裂掉块, 将直接影响发动机的安全工作。

本文针对某型号涡轮增压器试验过程中离心压气机轮盘边缘处断裂掉块故障, 先后进行有限元强度分析和有限元模态分析, 找出离心压气机叶轮轮盘边缘断裂的原因, 并对叶轮机构进行了优化。

1 故障现象

涡轮增压器正常工作转速40 000~66 000r/min, 涡轮增压器在整机台架试验过程中, 在62 000r/min工作转速附近发生了增压器叶轮轮盘边缘断裂掉块故障。试验过程中共有四个压气机叶轮产生了此故障, 断裂位置和掉块形状基本一致, 如图1所示。

2 有限元强度分析

2.1 有限元强度分析过程

压气机有限元强度分析流程如图2所示。

首先, 利用UG软件进行压气机叶轮的三维实体建模;然后, 在ANSYS中进行网格划分, 网格单元采用10节点187单元, 并在叶片狭窄部位、轴面边缘等部位进行网格加密, 划分好的网格节点数为90 470个, 网格单元数为50 837个, 如图3所示。

该压气机叶轮采用铝合金7075材料制造, 主要参数如表1所示。ANSYS中按以上参数定义叶轮材料。

压气机工作过程中, 叶轮前端由螺母固定到转轴上, 后端与油封配合, 所以对叶轮前端取全约束, 对叶轮后端取轴向约束。叶轮标定转速为66 000r/min, 给整个叶轮施加转速为66 000r/min的惯性力, 如图4所示。完成以上工作后, 用ANSYS软件对66 000r/min工况下压气机叶轮进行有限元强度计算。

2.2 有限元强度计算结果分析

压气机叶轮材料 (铝合金7075) 的抗拉强度为572MPa, 屈服强度为503MPa, 安全系数取为1.4, 计算得到材料的许用应力为359.3MPa［２］。 叶片区域应力分布如图5所示。从图5可看出, 叶片区域的整体的应力在226MPa以下, 均远小于材料的屈服强503MPa, 不会进入低周疲劳状态, 叶片有较好的低周疲劳寿命。围绕轮毂轴孔底部的区域是应力集中区 (图6) , 最大应力Sｍａｘ为406.77MPa, 低于材料的拉伸破坏强度572MPa。在此转速下, 压气机没有发生一次性拉伸破坏的危险;但最大应力大于许用应力359.3MPa, 相对于屈服强度, 安全系数k=503/406.77=1.24。整体来看, 此叶轮采用铝合金7075 能满足叶轮的66 000r/min的工作强度要求, 轮盘边缘断裂掉块不是材料强度不够造成的。

3 有限元模态分析

经过叶轮有限元强度计算可知, 采用铝合金7075能满足叶轮的66 000r/min的工作强度要求。在压气机运行过程中, 由于叶片旋转所形成的不均匀流场会在叶轮周围形成周期性变化的激振力, 一旦这种激振力与叶轮的固有频率相等或成整数倍时, 叶轮就发生共振。实际的工作中, 若叶轮长期处于比较严重的共振中, 很容易产生疲劳断裂［３］;因此, 在强度计算的网格划分和边界条件约束的基础上, 对压气机叶轮进行有限元模态分析。

3.1 振动基础理论

根据振动学理论［４］, 多自由度无阻尼系统的自由振动方程为

式中, [M]、[K]、{ü}、{u}分别为质量矩阵、刚度矩阵、节点加速度向量和节点位移向量, 在此对应叶轮的质量矩阵、刚度矩阵、节点加速度向量和节点位移向量。

假定叶轮各个部位的振动为频率和相位均相同的简谐运动, 可求出叶片的振动模态方程

式中, [kｓ]为静态刚度矩阵;{φｉ}为第i阶特征向量;ωｉ为第i阶自振频率;[M]为质量矩阵。

当叶轮受离心力时, 就会产生微分刚度矩阵, 此时叶轮的动频计算公式为

式中, [Kｓ]为动态质量矩阵。

3.2 ANSYS模态分析求解

叶轮转动时由于离心力的作用, 使叶轮的刚性增大, 固有频率增加, 形成叶轮的动频。ANSYS软件提供了预应力加载 (pre-stress load) 功能, 可以修正离心力场下的单元刚度阵和总刚度阵, 因此采用ANSYS软件对叶轮进行模态分析。在有限元强度计算的网格划分基础之上, 对叶轮前端取全约束, 对叶轮后端取轴向约束, 并分别在静止和10 000、30 000、50 000、60 000、66 000、75 000r/min转速状态下对压气机叶轮采用Block Lanczos法进行模态的提取, 得到轮盘振动的前5阶固有频率和振型如表2所示。

图7~图11为66 000r/min工况下轮盘变形情况, 图中变形量为无量纲参数。

3.3 ANSYS模态结果分析

由不同工作转速下模态分析的数据, 绘制成轮盘共振曲线图 (Campbell图) , 即共振图, 如图12所示。这是比较常用的一种判断叶轮工作时是否存在共振现象和共振转速位置的工程图解法。利用共振图可以找出共振时叶轮的固有频率和激振频率值［５］。图12中1D~5D为各阶固有频率曲线, 1k~36k为激振频率射线, 固有频率线和激振频率线的交点为共振点, 对应的转速为共振转速。

对于所分析叶轮轮盘来说, 因为结构或工作条件等原因气流诱导振动, 当气流作用所产生的激振力的频率等于系统固有频率的时候就会使叶轮产生共振, 如果长时间处于这种环境下, 会造成叶轮振动疲劳从而使叶轮出现裂纹甚至断裂。

轮盘所受的激振力大致有三种: (1) 若压气机叶轮进口处流场分布不均, 叶轮在旋转过程中, 叶片会受到的交变的气动力并传给轮盘。此叶轮导风叶片数目为8个, 叶轮旋转一周受到八次激振, 由此产生的激振力频率对应8k射线。 (2) 由轴振动传给轮盘的交变力, 对应激振力频率为1k射线。 (3) 由于轮盘出口压力分布不均而产生的气动激振力, 此叶轮后扩压器内静子叶片数目为36个, 对应激振力频率为36k射线。

对共振点分析如下: (1) 1k射线与叶轮轮盘固有频率不相交, 不会因轴振动传给轮盘的交变力产生共振; (2) 所示位置振型为径向振动, 对轮盘变形影响不大; (3) 所示位置叶轮的转速远离正常工作转速, 不会长时间在此转速停留, 对叶轮振动影响不大; (4) 所示位置会发生共振, 此处转速为61 550r/min, 与实际中轮盘边缘产生故障时转速62 000r/min相近, 轮盘振型为1节径轴向振动, 对叶轮边缘变形影响较大, 若长时间在此转速工作, 容易因振动变形而引起叶轮边缘的断裂。放大后的叶轮边缘变形如图13 所示, 轮缘变形的形状和叶轮断裂的形状比较相似, 所以判断压气机叶轮轮盘边缘断裂是在此转速附近发生共振引起的疲劳断裂。

4 压气机叶轮结构优化

在找到轮盘边缘断裂原因后, 对叶轮轮盘的截面形状进行了优化设计, 适当增加了轮盘底面的厚度, 并改变了截面形状, 从而使叶轮的固有频率远离了正常工作时的气动载荷激振频率, 并提高了叶轮边缘抵抗疲劳变形的能力, 防止共振的发生和疲劳断裂。原始模型轮缘处厚度为1.1mm, 对轮缘加厚0.5~1.6mm, 并对叶轮轮毂几何截面进行优化后, 再次在66 000r/min进行了强度计算和模态计算, 应力强度分布如图14所示。由图14 可见, 轮盘应力情况稍有增大, 对整体叶轮来讲仍能满足安全使用要求。

图15为轮缘厚度1.1和1.6mm在66 000r/min工况下同一阶模态下轮缘变形情况。由图15可见, 轮缘厚度1.1mm时, 轮缘最大变形量为280.39 (此数值为ANSYS软件衡量变形大小的无量纲参数, 其大小表征变形的相对大小) ;轮缘厚度为1.6mm时, 同一位置处变形量为201.59, 相对1.1mm时变形减小28.1%, 增加轮缘厚度可有效减小轮盘边缘的变形量。

按优化后的叶轮几何参数加工叶轮, 再次进行涡轮增压器整机台架试验。整个试验过程中, 在正常工作转速40 000~66 000r/min范围未再出现叶轮边缘断裂的故障。

5 结论

(1) 该压气机叶轮采用铝合金7075材料能满足叶轮66 000r/min转速的工作强度要求, 轮盘边缘断裂掉块不是由材料强度不够造成的。

(2) 通过对叶轮的有限元模态分析可知, 叶轮在61 550r/min转速附近工作会和叶片旋转产生的气动激振力发生共振, 导致叶轮轮盘边缘部位的断裂掉块。

(3) 在叶轮的设计过程中, 应考虑到叶轮本身静态和动态的固有频率, 防止工作转速发生共振, 从而减小工作噪声和防止因共振而疲劳断裂。

摘要：针对涡轮增压器离心压气机叶轮轮盘边缘断裂故障, 建立压气机三维模型, 进行有限元强度分析和有限元模态分析, 得到压气机叶轮的应力分布、固有频率和模态, 并绘制了叶轮振动的Campbell图。有限元计算结果分析表明:材料强度不是造成叶轮轮盘边缘断裂的原因, 叶轮在61 550r/min转速附近工作会和叶片旋转产生的气动激振力发生共振, 导致叶轮轮盘边缘断裂。对叶轮几何参数进行了优化, 优化后叶轮轮盘边缘断裂故障得到了解决。

关键词：内燃机,离心压气机,有限元,强度,模态

参考文献

[1]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].山西:兵器工业第七○研究所, 1997.

[2]张虹, 马朝臣.车用涡轮增压器压气机叶轮强度计算与分析[J], 内燃机工程.2007, 28 (1) :62-66.Zhang H, Ma C C.Structure computation and analysis of vehicle turbocharger compressor impeller[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2007, 28 (1) :62-66.

[3]张锦, 刘晓平.叶轮机振动模态分析理论及数值方法[M].北京:国防工业出版社, 2001.

[4]徐稼轩.结构动力分析的数值方法[M].西安:西安交通大学出版社, 1993.

离心压缩机窄流道叶轮焊接技术应用 篇7

离心压缩机窄流道叶轮焊接技术是一项专业性和综合性较强的技术，对技术人员的专业素质和综合素养要求较高。这项技术应用的领域也非常广泛。尤其备受瞩目的是石油化工装置和气体领域。在我国石化领域对离心压缩机的应用非常广泛，有相关参数有更严格的要求。所以对离心压缩机的制造有一定的规定，必须满足这一规定要求。离心压缩机的各大制造厂，需要根据不同用途，开发新的加工制造技术。在离心压缩机窄流道方面应用的有扩散焊，电子束焊、开凿塞焊和激光焊等，这些成型工艺都有各自的优缺点。

一、流道内焊接技术应用分析

在轮盘和盖盘的基础上有钎料和特殊焊料断剂，可以通过真空炉对材料进行加热，对钎料熔化后进行改造。钎焊叶轮的接头强度较高，比较适合高周速叶轮。受到整个零件冷却和加热的影响，零件会产生较小的变形量，并且精度较高。技术人员可以通过窄流道叶轮同时焊接几个叶轮。在此基础上还需要热处理和焊接同炉进行，这样可以保证工艺过程的简化，保证生产效率的提升内焊接技术采用的材料包括金镍合金和铜合金等。现阶段，我国先焊叶轮材料包括高合金强度不锈钢，低合金高强度钢等，国外在这方面的研究非常突出，这些材料在离心压缩机窄流道叶轮焊接的应用方面非常突出。现阶段，在世界各地广泛应用的是金基钎料。美国安利奥特分公司也申请了此项专利。由于存在贵金属含量，现在的钎料成本非常高。前苏联制造全钎焊叶轮，叶片没有在轴盘上铣制，通过钎焊的方法对盖盘和轴盘进行了有效的连接。

目前，技术人员解决钎焊温度控制、焊口加工精度等问题是非常重要的一项工作。低成本钎料的开发工作很重要，可以对广泛使用的贵金属钎料进行探讨和研究。国内陕鼓在研究低成本钎料方面取得了实质性的进展，希望也会有更加产业化的应用。此外，在我国经济不断发展的基础上，制造业发展方向偏向于集团化，出现的公司是从事专业处理的，和压榨机制造商配套。在全球范围内，有多个国家专门从事钎焊服务的企业，这样可以共同服务多个压榨机服务商，对他们提供叶轮钎焊服务。现阶段已经有两家工厂，我国压榨机制造商，要按照自身压缩机产品的使用和材料的应用，科学合理的规划，有得放失的开发钎焊技术，包括开发新焊料和应用新焊料。同时也要对资源进行统筹，对这些专业公司提供的服务更好的利用，应用范围也非常广。

二、焊扩散技术应用分析

再热压焊基础上能扩散焊，这样可以吸收钎焊的长处，这样形成的是新型的焊接方法。相对于钎焊，焊的扩散不用金属对其产生填充。技术人员需要使母材在固定状态下结合。所以这种焊也称为固相扩散焊。还有一种焊是结合面插入衬垫，这种焊属于液相扩散焊。

在焊接的过程中技术人员可以用专用夹具加紧焊件，焊口压力的接触值是10-20Mpa，将其置于真空环境，将其加热到温度是60-80摄氏度的环境中，扩散焊件接口处分子，并将其结合，冲击韧性。因为焊口强度和母材比较接近，焊后不需要修磨和热处理。其应用腐蚀能力和抗局部腐蚀能力比较高。此外，如果不过热和不熔化，可以保证被焊材料不会轻易受到损害，尤其是对焊接性差的材料特别适用。

对焊口机械加工来说，对扩散焊的要求更高，并且受到加压和高温的影响，叶片存在一定程度的变形，日本和原苏联已经通过大量实验研究扩散焊，并且在压缩机叶轮的焊接方面有所应用。我国西北工业大学研究的这方面理论非常多。但是此方法要求精确度更高的设备，而且也有很大的投资。现阶段主要在航空航天和国防领域广泛应用。日本公司设计制造的叶轮扩散焊模型通过机械加工，从轮盘和轮盖双方削出越叶片一半高度的叶片部分，再相互对接结合叶片。面对合适的情况，在显微镜下观察结合部分组织，和母材没有区别，有和母材强度相同的机械性能。在离心压缩机叶轮中采用的方法是扩散焊接法，可以制造宽度极窄的叶轮进行制造。在我国熟练焊工不断减少的情况下，会不断扩大这种方法的适用。

三、等离子弧焊技术应用分析

等离子弧焊的能量密度和温度较高，就有较高的焊接速度和焊透能力。技术人员可以对小孔效应进行充分利用，通过单面韩双面。通过等离子弧焊可以取代氩弧焊，这样可以使生产效率提升，使需要填充的金属量减少。等离子弧焊有着较小的热影响区，非常适合焊接性差的金属材料，并且焊接的过程也不容易发生变形。技术人员对窄流道叶轮的制造可以焊透将近8毫米的高强钢，不需要金属材料的填充。现在关于这项技术的报道相对比较少，其最主要的功效是修复透平机械。

四、电弧焊技术应用分析

电弧焊技术引进于70年代。经过长时间的实践，不断完善变形控制，铣刀直径和焊接填充量。在没有重大设备的情况下，通过电弧焊可以使流道内无法焊接叶轮的情况得到避免。焊前主要的组成部分是轮盘和轮盖。数控加工中心对叶片进行铣制，使其覆盖在轮盖上，铣制出的槽和叶片相对应。对叶轮进行组装，经过前期的预热，后期再进行焊接，保证轮盘和叶片成为一个整体。通过大量的实践证明，这项技术具有良好的可焊性工艺。我国在这项技术方面积累了丰富的经验，通过这项技术使人工劳动强度大大降低，生产效率得到了提升。

五、激光焊技术应用分析

激光器可以产生高能量热源，通过激光器的高能量热源进行焊接的方法就是激光焊。原子受到辐射，激光器利用这一原理，物质在受到刺激的情况下产生光束。这个光束的特点是波长和方向具有一致性。光学系统可以聚焦光束，形成光斑，这个光斑的长度和光波接近，并且有着较大的功率密度，可以瞬间蒸发材料。激光焊不需要在真空的环境中进行，不会产生较大的变形，热影响区相比比较狭窄。此外，激光焊的循环时间比电子束焊接低。激光焊有较小的深和宽，对一些较厚构件的焊接是不适合的。因此这项技术的应用领域是泵类叶轮，主要是用于冲压焊接。总结

综上所述，离心压缩机窄流道叶轮焊接技术广泛发应用于各制造厂中。这项技术具有更高的专业性和复杂性，对技术要求更高。技术人员要按照从相关流程和规范开展这项工作，保证工作的保质保量完成。文章主要从“流道内焊接技术的应用和焊扩散技术的应用、等离子弧焊技术的应用、电弧焊技术应用和激光焊技术应用”等方面探究离心压缩机窄流道叶轮焊接技术应用。希望通过本文的研究对离心压缩机窄流道叶轮焊接技术水平的提高有所帮助。

参考文献

[1]王雅君.离心压缩机焊接式蜗壳流动分析与优化研究[D].大连理工大学,2007.

[2]刘万青.大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析[D].大连理工大学,2008.

[3]赵健仓.风机叶轮焊接工艺的现状及展望[J].风机技术,2001,01:23-27.

[4]James M.Sorokes,Mark J.Kuzdzal,张海界.离心压缩机的发展历程[J].风机技术,2011,03:61-71.

[5]王春生.离心压缩机振动分析[D].天津大学,2004.

[6]季田,卞桂虹,刘向东,郭东明.离心压缩机窄流道闭式叶轮抛光工艺研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2007,06:38-41+50.

离心铸造叶轮 篇8

熔模精密铸造是铸造行业中一项优异的新技术,是一种新的近净成形先进工艺,它获得的产品精密、复杂,接近于零件最后形状,可不加工或很少加工就直接使用,其应用非常广泛[1]。但是,传统熔模精密铸造方法需要通过模具或者机加工来制造熔模,生产工艺复杂、开发周期长、制造成本高、制造精度不易控制,尤其是对于一些形状复杂零件的熔模制作异常困难,需耗费大量的人力、物力和财力,难以实现复杂精密铸件的快速制造,直接影响产品开发效率,无法适应快速多变的市场需求。因此,迫切需要寻找一种快速准确的制作熔模的方法,来替代目前传统的熔模制作方式。

3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,被称为“具有工业革命意义的制造技术”[2]。3D打印技术的制造原理是基于“增材制造”的思想[3],即在计算机控制下,以数字模型文件为基础,分层处理后运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式,将“打印材料”一层层叠加起来,最终完成零件的成形与制造[4,5]。3D打印与传统的加工工艺通过切削、打磨、冲压等来实现产品成型的过程具有本质区别,仅利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,且无需模具,产生极少的废料,有效缩短了加工周期,易于实现单件小批量复杂形状产品的快速制造,在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势[6]。

本文以具有典型复杂型面的离心泵叶轮为应用范例,研究一种基于3D打印技术的快速精铸工艺,主要技术路线如图1所示:首先基于Pro/E软件建立离心泵叶轮的三维模型并进行CAD优化设计,再基于RPData软件对叶轮模型进行前处理,然后通过3D打印机加工出叶轮树脂原型并进行后处理,最后以此叶轮树脂原型为熔模进行熔模精密铸造,最终得到离心泵叶轮精密金属零件。

本文研究的基于3D打印技术的快速精铸工艺通过3D打印机直接制作任意复杂结构的高精度树脂熔模,与传统铸造方法相比省去了模具加工制造的环节,有效缩短产品开发制造时间,减小生产成本,可以快速、经济地实现复杂形状零件的熔模精密铸造,特别适合于复杂形状零件的单件、高精度生产制造领域,具有良好的产业化应用前景。

1 光固化快速成型原理

光固化快速成型技术是目前加工精度最高的一种3D打印技术,它的成型原理为:以液态光敏树脂为加工材料,计算机控制紫外激光束按加工零件的分层截面信息逐层对光敏树脂进行扫描,使其产生光聚合反应[7],每次固化形成零件的一个薄层截面;每一层固化完毕之后,工作平台移动一个层厚的高度,然后在原先固化好的树脂表面再涂敷一层新的液态树脂,以便进行下一层扫描固化;新固化的一层牢固的粘合在前一层上,如此重复直至零件原型制造完毕。具体的光固化3D打印成形过程如图2所示。

图2 光固化3D打印成形过程

2 叶轮模型CAD优化设计

首先利用Pro/E软件建立离心泵叶轮的三维模型,如图3、图4所示。由图可知,该离心泵叶轮主要由叶片、后盖板、浇冒口等三部分结构组成,且叶轮结构形状复杂,尤其是离心泵叶片在径向与轴向双重扭曲,采用传统方法制造叶轮模型将会存在很大的困难,模具结构复杂,难以脱模,且难以保证制造精度。而3D打印技术的分层制造特性决定了其制造过程与零件形状复杂程度无关,因此,本研究采用3D打印技术制造叶轮熔模将极大地提高生产效率,降低制造成本。

因为金属铸造零件不可避免地存在收缩现象,需对叶轮模型进行预缩放处理。综合考虑叶轮材料(普通碳钢)及后续实际精铸工艺,确定叶轮铸造过程中的收缩率,据此预先将叶轮三维模型按一定的尺寸比例进行放大。

为了节约材料,提高打印速度,对叶轮模型进行抽壳优化设计。图5所示为在Pro/E软件中利用混合扫描的方法对离心泵叶轮模型进行抽壳优化设计,图6所示为抽壳优化后的叶轮模型,其中抽壳壁厚为0.8mm。

3 叶轮模型3D打印成形

将完成优化设计后的叶轮模型导入RPData软件进行前处理,选择成形方向并设计辅助支撑,完成前处理后的叶轮如图7所示。

图7 完成前处理后的叶轮模型

图8 叶轮模型打印成形过程

将叶轮模型分层处理,分层厚度0.1mm,分层后转换成激光快速成型机可以识别的数据格式并导入3D打印机,然后在Rp Build工艺控制软件中设置好工艺参数后开始直接打印成形。图8所示为叶轮模型打印成形过程。图9所示为打印成形后的带支撑的树脂叶轮。

图9 树脂叶轮打印成形

为提高原型件的尺寸精度、强度、硬度、表面质量等性能,将打印完成后的叶轮树脂模型依次进行清洗、去除支撑、后固化、表面打磨等后处理工作。图10所示为对去除支撑后的叶轮树脂模型进行后固化处理。图11所示为后处理完成后的叶轮整体树脂模型。

图10 叶轮树脂模型后 固化处理图

图11 经后处理的叶轮树脂模型

4 熔模精密铸造实验

最后将此叶轮树脂模型作为熔模进行熔模精密铸造。首先在叶轮树脂模型表面粘制蜡浇铸系统,在此基础上再进行挂浆撒砂制壳,每挂一次浆对应地撒一层砂,等前一层型壳干燥硬化后再次挂浆撒砂制下一层型壳,且除首次挂浆后撒锆英砂外后面每次撒砂都撒莫来砂。如此重复进行5次挂浆并撒砂过程,然后再封浆处理,待其干燥硬化后型壳制作完成[8],如图12所示。

图12 制作完成后的整体型壳

图13 高温焙烧炉

将型壳整体放入高温焙烧炉里高温脱树脂,如图13所示。高温焙烧时间约为1小时。等焙烧完毕后,型壳内部树脂叶轮消失,型壳内部完全为中空结构,直接往型壳内部浇铸熔融金属液,如图14所示。

图14 浇铸熔融金属

图15 冷却金属叶轮铸件

冷却后的金属叶轮铸件如图15所示。由图可见,冷却后的金属叶轮外部包覆着一层厚厚的型壳。

因为包覆在铸件表面的型壳强度较高,采用手工方法难以去除坚硬型壳,在此本文采用震动脱壳的方法去除型壳。将冷却后的金属铸件放置到震动脱壳机上进行震动脱壳,如图16所示。

图16 震动脱壳

图17 脱壳后的铸件正面

震动脱壳工序完成后铸件表面的型壳被基本清除干净,但铸件表面还残留有少量难以去除的型壳,如图17所示。

采用火焰切割机将金属叶轮与浇铸系统分离,得到两个独立的金属叶轮,如图18所示。

图18 脱壳后的铸件正面

为了进一步清除金属叶轮表面残留的型壳,并提高零件表面质量,对两个金属叶轮进行表面喷砂处理。完成喷砂处理后最终得到的两个离心泵叶轮金属零件如图19所示。

图19 离心泵叶轮金属零件

5 叶轮铸件精度测量

为了检验本文研究的“基于3D打印技术的快速精铸技术”具体可以达到的“尺寸精度”及“表面粗糙度”这两项性能指标,现对前述两个离心泵叶轮金属零件分别进行尺寸精度测量及表面粗糙度测量。

首先是尺寸精度测量。选择叶轮树脂模型四个具有代表性且便于测量的尺寸进行测量,尺寸测量示意图如图20所示。

将两个离心泵叶轮金属零件分别编号为1号叶轮、2号叶轮,尺寸测量结果分别如表1、表2所示。在此需要说明的是,此处尺寸精度等级按国际通用的熔模铸件尺寸公差等级计算。

由表1、表2可知,两个离心泵叶轮金属零件的绝对尺寸误差范围为-0.17~+0.21mm,且其尺寸精度等级都达到CT4级尺寸公差。

在完成叶轮产品尺寸精度检验的基础上,再测量叶轮产品的表面粗糙度。在叶轮零件表面分别随机选择均匀布置的10个点进行表面粗糙度测量。粗糙度测量结果如表3、表4所示。

由表3、表4可知,两个离心泵叶轮金属零件的表面粗糙度范围为2.88um~6.00um,说明表面粗糙度可达Ra6.3um以下。

6 结论

1)本文研究了一种基于3D打印技术的离心泵叶轮快速精铸工艺,且其主要工艺过程归纳如下:首先基于Pro/E软件建立离心泵叶轮的三维模型并进行模型缩放、抽壳等CAD优化设计,再基于RPData软件对叶轮模型进行前处理,选择成形方向并设计工艺支撑,然后通过3D打印机直接打印成形,得到叶轮树脂模型,并进行清洗、去支撑、打磨、后固化等后处理工序,最后以此叶轮树脂模型为熔模进行熔模精密铸造,依次进行制壳、焙烧、浇铸、脱壳、打磨喷砂等工序,最终得到离心泵叶轮精密金属零件。

2)本文研究的基于3D打印技术的离心泵叶轮快速精铸工艺,所制造的离心泵叶轮金属零件的尺寸精度可达CT4级,表面粗糙度可达Ra6.3um以下。

3)本文研究的基于3D打印技术的离心泵叶轮快速精铸工艺具有很强的通用性,除了离心泵叶轮零件以外,该工艺也可以广泛应用于其他复杂结构零部件的单件、小批量快速制造,具有良好的产业化应用前景。

参考文献

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