超高分子量聚乙烯材料的叶轮膨胀特性研究*

任振林 任红玉

(白银鸿浩化工机械制造有限公司)

在输送海水或咸水时，一般不锈钢泵寿命都比较短，用特殊不锈钢泵时，成本很高，而且叶轮的磨损和腐蚀很严重，更换频率高，为了降低成本，延长叶轮的使用寿命，近年来，用超高分子量聚乙烯代替不锈钢制成的叶轮得到了大量使用，主要是因为超高分子量聚乙烯材料的叶轮具有以下优点：重量轻，减少了轴承载荷和轴的挠度，增加了轴承和泵密封的使用寿命；优异的表面弹性，提高了叶轮的抗汽蚀性能，特别是当泵的吸入条件不良的情况下，也能有效防止泵汽蚀，这特别适合船用泵，延长了叶轮的使用寿命；超高分子量聚乙烯有优良的耐海水或咸水的性能，在船用泵上使用可能延长其使用寿命[1]；不导电的特性，在海水中使用时不会有电化学腐蚀；密度小，精密加工后可完全杜绝叶轮的不平衡量，使泵运转平稳，延长了使用寿命；光滑的流道表面，减少流动边界层的摩擦，提高了泵的效率和叶轮的水力性能；优良的耐腐蚀、耐磨性，使叶轮能够长时间保证尺寸，从而使泵在工作点运行的时间增加，延长了泵的使用寿命。

超高分子量聚乙烯材料的叶轮虽然有以上优点，但是实际使用过程中发现其有膨胀现象，在要求小间隙的地方，经常会卡死，如为了保证泵的效率而减少容积损失、减少口环泄漏量，要求叶轮密封环配合间隙为0.2～0.3mm[2]。发生叶轮口环与泵壳口环卡死现象后，查资料未找到相应的膨胀数据，只是定性的描述为轻微膨胀。从设计角度来看是不够的，因为不了解材料的膨胀特性，会使设计没有理论依据，重要的一些配合尺寸无法确定，特别像影响泵性能的叶轮外径、出口宽度等尺寸无法精确计算出来，同时由于膨胀会使叶轮无法从泵壳里拆出来，造成了泵的维护保养困难。综上所述，有必要通过实验对超高分子量聚乙烯叶轮的膨胀特性进行研究。

1 实验研究

选择一个超高分子量聚乙烯材料的叶轮放在容器的中心，加满水，叶轮被完全浸没，室温下，不考虑季节对水温的影响，做了为期343天的测试，选择了5个测量时间点，测量时间点之间间隔为70天左右，主要测量的叶轮尺寸如图1如示。为了便于测量，对叶轮行进了分解，前盖板与后盖板和叶片分开，叶片在后盖板上(图2)，同时建立空间从标系，轴向尺寸的变形量在z轴方向，径向尺寸的变形量在x-y轴两个方向。

对轴向尺寸LN的膨胀量百分比测试结果如图3所示，径向尺寸DL2的膨胀量百分比测试结果如图4所示，从图4中可以看到，大约在280天时，膨胀量趋于一个定值，说明膨胀结束。根据对所测尺寸的测试结果，进行平均计算，以280天时测试的结果为最大膨胀量百分比，绘制所有测试尺寸轴向各径向在280天后的平均膨胀量百分比(图5)，从图5中可以看到x-y轴方向的径向膨胀量百分比Qx-y=0.55%～0.6%，z轴方向的轴向变形量百分比Qz=2.0%～2.0375%。

图1 实验叶轮测试尺寸图

图2 叶轮坐标图

图3 叶轮轴向尺寸LN的膨胀量百分比

图4 叶轮DL2尺寸膨胀量百分比

图5 280天后叶轮的轴向和径向平均变形量

对比上面结果发现，轴向膨胀量百分比大约是径向膨胀量百分比的3.3倍，考虑到安全裕量，在设计叶轮时适当放大膨胀量百分比，因此，设计计算时，轴向和径向的膨胀量百分比分别选择为Qx-y=0.8%，Qz=2.2%。

2 设计实例

技术参数为扬程50m，流量25m3/h；输送介质为30%的NaCl溶液，介质温度为常温；运行方式为连续运转。

根据文献[3]中的公式计算得到叶轮的主要尺寸为：叶轮外径D2=202mm，口宽B=10mm，进口D1=65mm，根据强度设计前口环DL1=80mm，轴孔DB=25mm，轴孔长度LN=32mm，叶轮总的轴向长度BL=70mm，为了平衡轴向力，后口环与前口环的尺寸设计为一样，后口环DL2=80mm，这是没有膨胀的叶轮尺寸，通过上述的膨胀量百分比结论换算尺寸，由Ds=Ddry+Ddry·Qx-y，得Ddry=Ds/(1+Qx-y)，同理可得：

Ldry=Ls/(1+Qz)

式中Ddry——没膨胀的径向尺寸；

Ds——膨胀后的径向尺寸；

Ldry——没膨胀的轴向尺寸；

Ls——膨胀后的轴向尺寸；

Qx-y——取值为0.008；

Qz——取值为0.022。

把已知数据代入上式，可得到实际要设计的叶轮尺寸：D2dry=200.40mm，D1dry=64.48mm，DL1dry=79.37mm，DBdry=24.80mm，Bdry=9.79mm，LNdry=31.31mm，BLdry=68.49mm。

对泵性能影响较大的是叶轮外径，根据文献[2]可知泵的扬程为：

H=Ψ·u22/2g

式中D——叶轮外径；

g——重力加速度，m/s2；

H——扬程，m；

n——转速；

u2——圆周速度，u2=Dπn/60，m/s；

Ψ——系数。

因为是同一台泵，所以Ψ、n值是相同的，则：

Hdry=D2dry2·constant

Hs=D2s2·constant

Hdry/Hs=(D2dry/D2s)2=(200.4/202)2=0.98

这就意味着，泵刚开始运行时扬程要比实际需要少2%，运行一段时间后，叶轮达到一定的膨胀量，扬程才能达到设计值，根据文献[4]可知，通常泵的2级实验扬程的允许变动量为2%，所以根据标准，泵性能是合格的。

对该泵进行现场实验跟踪，从记录中发现，刚开始运行时，若设计点扬程相差1m，则效率低一个百分点，当运行到280天后，效率达到了设计值，这就说明，刚开始运行时，由于密封环间隙太大，泄漏量增加，影响了泵的效率[5]，当运行一段时间后，叶轮口环膨胀，使叶轮密封环与泵壳密封环之间的间隙达到设计值，从而提高效率，这与上述实验结果基本相符合。

3 结束语

对超高分子量聚乙烯材料的叶轮进行设计时，一定要考虑膨胀现象，否则运行一段时间会出现故障，损坏叶轮。笔者所做的实验是在理想条件下进行的，如果要在实际工况下实验，会增大难度和成本支出，但通过修正实验结果，经过现场验证，结论基本是准确的，可作为超高分子量聚乙烯材料的叶轮设计时膨胀量的依据。

[1] 张玉龙.塑料品种与性能手册[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2] 关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011.

[3] 陈乃祥，吴玉林，刘娟，等.叶片泵设计与实例[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] GB/T 3216-2005，回转动力泵水力性能试验1级和2级[S].北京：中国标准出版社，2005.

[5] 何希杰，劳学苏.离心泵效率计算若干公式评价[J].水泵技术，2009，(6)：16～19.