潛油電泵導(dǎo)葉輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造

商中華

摘 ?要：潛油電泵導(dǎo)葉輪因其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的特殊性（尺寸小、比轉(zhuǎn)速低），在其產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都要求有針對(duì)性地采取一些特殊的措施。文章系統(tǒng)地闡述了潛油電泵導(dǎo)葉輪產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的水力模型設(shè)計(jì)、鑄造毛坯及砂型的設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的鑄造與加工等各環(huán)節(jié)中的技術(shù)要點(diǎn)以及采取的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：潛油電泵;導(dǎo)葉輪;設(shè)計(jì);制造

中圖分類號(hào)：TE9333.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）02-0001-03

在油田開發(fā)的中后期，由于地層含水的上升，具有大排量舉升優(yōu)勢(shì)的潛油電泵的應(yīng)用越來(lái)越廣，僅勝利油田就有潛油電泵采油井1 190 口，占全部機(jī)械采油井?dāng)?shù)的7%。潛油電泵日產(chǎn)原油16 200多t，占油田原油產(chǎn)量的20%，作為潛油電泵主要部件之一的導(dǎo)葉輪的用量很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，勝利油田用于潛油電泵修理與制造的導(dǎo)葉輪每年要消耗10余萬(wàn)套，產(chǎn)值高達(dá)1 000余萬(wàn)元。因此，潛油電泵導(dǎo)葉輪開發(fā)質(zhì)量的好壞對(duì)潛油電泵的推廣應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

潛油電泵葉導(dǎo)輪的開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及到水力模型設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、鑄造及加工工藝等多個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)處理的好壞，直接影響到產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和生產(chǎn)成本。本文系統(tǒng)地闡述了潛油電泵葉導(dǎo)輪產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)和采取的對(duì)策。

1 ?水力模型設(shè)計(jì)

潛油電泵葉導(dǎo)輪的水力模型設(shè)計(jì)內(nèi)容包括型線設(shè)計(jì)和外型設(shè)計(jì)。

型線設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括主要參數(shù)的計(jì)算與選擇、軸面圖的繪制、葉片繪型等。外型設(shè)計(jì)是根據(jù)型線設(shè)計(jì)結(jié)果和結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求確定葉導(dǎo)輪其余的外型尺寸，本節(jié)重點(diǎn)闡述了外型尺寸中平衡腔的計(jì)算方法。

1.1 ?型線設(shè)計(jì)

型線設(shè)計(jì)的方法有多種：主要包括一元流動(dòng)理論、二元流動(dòng)理論和三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)法，除此之外還有相似設(shè)計(jì)法。目前國(guó)內(nèi)使用較多且較為成熟的設(shè)計(jì)方法是一元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)法，并有現(xiàn)存的水力設(shè)計(jì)軟件。在潛油電泵導(dǎo)葉輪的型線設(shè)計(jì)中，我們主要采用由江蘇理工大學(xué)在一元流動(dòng)理論基礎(chǔ)上編制的《離心泵設(shè)計(jì)軟件》和相似設(shè)計(jì)法兩種方法。

1.1.1 ?軟件設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)介

葉輪水力CAD主要包括4個(gè)執(zhí)行文件，用戶依次執(zhí)行這4個(gè)文件，并根據(jù)屏幕提示輸入相應(yīng)的參數(shù)和指令，即可完成葉輪的型線設(shè)計(jì)工作，這4個(gè)文件分別是：

①AA2.EXE：主要參數(shù)的計(jì)算與選擇：包括流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等。

②BB.EXE：繪制軸面圖。

③CC.EXE：葉片繪型。

④DD2.EXE：繪制木模圖和木模截線參數(shù)。

導(dǎo)輪水力CAD包括三個(gè)執(zhí)行文件：

①KD1.EXE：參數(shù)輸入與計(jì)算、軸面圖繪制、導(dǎo)葉工作面的繪制。

②KD2.EXE;流面加厚、確定導(dǎo)葉背面。

③KD3.EXE：繪出木模圖和木模截線參數(shù)。

98系列泵的葉輪和導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

1.1.2 ?相似設(shè)計(jì)法

相似設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)單可靠，其做法是選一套與要設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉輪相似的導(dǎo)葉輪，對(duì)過(guò)流部分的全部尺寸進(jìn)行放大或縮小，實(shí)踐證明該方法可取得事半功倍的效果。該設(shè)計(jì)法的步驟為：

①按設(shè)計(jì)泵的參數(shù)計(jì)算比轉(zhuǎn)速ns

ns=■（1）

式（1）中：

ns為設(shè)計(jì)泵的比轉(zhuǎn)速;

n為設(shè)計(jì)泵的轉(zhuǎn)速;

Q為設(shè)計(jì)泵的流量;

H為設(shè)計(jì)泵的揚(yáng)程。

②選擇模型泵，對(duì)模型泵的要求是：

其一，模型泵的ns與設(shè)計(jì)泵的ns相等或相近;

其二，模型泵的效率高（高效區(qū)寬）;

其三，模型泵的技術(shù)資料齊全可靠;

其四，為了不失去相似性，希望實(shí)型和模型的雷諾數(shù)之比在Re/ReM=1.0～1.5的范圍內(nèi)

Re=■（2）

式（2）中：

D2為葉輪外徑;

U2為葉輪出口圓周速度;

V為輸送液體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

③求尺寸系數(shù)。

由相似定律，假定模型泵和實(shí)型泵的容積效率、水力效率相等，則有

？姿=■=■=■■（3）

④計(jì)算設(shè)計(jì)泵尺寸

D=Dm·入β=βm

⑤繪制設(shè)計(jì)泵的圖紙。

1.2 ?外型設(shè)計(jì)——平衡腔徑向尺寸的計(jì)算

水力設(shè)計(jì)完成流道尺寸和葉型尺寸以后，可根據(jù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求確定葉導(dǎo)輪的其余徑向和軸向尺寸，對(duì)帶有起平衡軸向力作用的平衡腔的葉導(dǎo)輪而言，關(guān)鍵要把握平衡腔尺寸的計(jì)算方法。

1.2.1 ?軸向力的產(chǎn)生及計(jì)算

產(chǎn)生軸向力的原因很多，主要是由于液體作用在葉輪表面上的力不平衡而引走。軸向力主要由三部分組成：

①作用在葉輪外表面上的力F1;

②作用在葉輪內(nèi)表面上的力F2;

③葉輪本身的重力和浮力的合力F3（對(duì)立式泵而言）。

其中

F1=■（PR-PL）2？仔RdR（4）

式（4）中：

Rh為葉輪入口輪轂半徑;

Rc為葉輪入口口環(huán)半徑;

PL、PR為分別作用于葉輪外表面左右部分的壓力;

R為積分變量，壓力作用處的半徑。

F2=■×Q'（Vmo-V'm2cos？著2）（5）

式（5）中：

γ為工作介質(zhì)的重度;

Q'為液體通過(guò)葉輪的流量;

Vmo為葉輪進(jìn)口液體的軸面速度;

Vm2為葉輪出口液體的軸面速度;

ε2為葉輪出口軸面速度與軸線間的夾角。

F3=W-G（6）

式（6）中：

W為葉輪本身的重量;

G為葉輪所受到的浮力。

總的軸向力：

F=F1-F2+F3

1.2.2 ?平衡腔徑向尺寸的計(jì)算

平衡腔的作用是減少泵出口壓力作用在葉輪后蓋板上的作用面積，進(jìn)而減小軸向力。平衡腔內(nèi)通過(guò)平衡孔與泵吸入口連通，作用在平衡腔內(nèi)的壓力與泵吸入口壓力相同，設(shè)平衡腔止口處的半徑為Re，根據(jù)力的平衡原理有：

F=F1-F2+F3=■Pl2？仔RdR

即■（PR-PL）2？仔RdR-■Pl2？仔RdR-F2+F3=0

在Rh到Rc范圍內(nèi)，因平衡孔的作用，PR=PL，因此上式為

■PL2？仔RdR=F3-F2（7）

積分求解上式即可得平衡腔止口半徑Re，確定平衡腔尺寸以后，其余尺寸可根據(jù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求確定，最后繪制出導(dǎo)葉輪的成品加工圖。

2 ?鑄造毛坯及砂型設(shè)計(jì)

根據(jù)葉導(dǎo)輪成品加工圖設(shè)計(jì)鑄造毛坯和砂型時(shí)應(yīng)遵循以下原則。

2.1 ?鑄造毛坯設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鑄造毛坯設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

①鑄件收縮量的確定，一般按1.5%確定;

②加工余量的確定，一般按1～2 mm留加工余量;

③鑄件壁厚最小不小于1 mm。

2.2 ?砂型的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 ?鑄件分型

根據(jù)導(dǎo)葉輪的結(jié)構(gòu)將導(dǎo)葉輪各分成3件砂型：即導(dǎo)輪分解成導(dǎo)輪澆杯、導(dǎo)輪葉片、導(dǎo)輪大殼三種砂件，葉輪分解成葉輪澆杯、葉輪葉片、葉輪底座三種砂件。

2.2.2 ?拔模斜度的確定

砂型的拔模斜度根據(jù)拔模方向的長(zhǎng)度尺寸確定，沿拔模方向尺寸短的可按2 ？觷～3 ？觷。留拔模斜度，沿拔模方向尺寸長(zhǎng)的可按4 ？觷～6 ？觷留拔模斜度。

2.2.3 ?砂件外型壁厚尺寸的確定

砂件外型壁厚尺寸一般取8～12 mm，太厚費(fèi)砂嚴(yán)重，太薄強(qiáng)度不夠。

導(dǎo)葉輪砂件組裝圖如圖3和圖4所示。

3 ?模具設(shè)計(jì)

根據(jù)砂件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沖砂模具時(shí)，為了保證砂型的充實(shí)度和起模容易，應(yīng)遵循以下技術(shù)要點(diǎn)：

①嚴(yán)格按砂型要求設(shè)計(jì)拔模斜度。

②型腔表面粗糙度應(yīng)達(dá)到0.8，必要時(shí)進(jìn)行拋光處理。

③過(guò)砂流道必須平緩?fù)〞场?/p>

④排氣通道位置和大小必須合理。

⑤型腔內(nèi)不得有過(guò)深的盲孔。

⑥葉片與定位板的配合間隙在0.02～0.03 mm（單邊）之間。間隙太大難以保證葉片母線與拔模方向的平行度，造成取模困難;間隙太小又不易鑲嵌。

4 ?產(chǎn)品的鑄造與加工

4.1 ?產(chǎn)品的鑄造

將合格的砂件組裝好進(jìn)行產(chǎn)品澆鑄時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則。

4.1.1 ?嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)配置爐料

鐵水含碳量過(guò)高或含鎳量偏低，不僅影響產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，不利于奧氏體的形成，還會(huì)影響產(chǎn)品的外觀效果。

鐵水中錳含量偏高則會(huì)增加鑄件的硬度，給加工造成困難。硅的含量過(guò)高，則會(huì)使鑄件品粗大。磷的含量偏高，則會(huì)增大鑄件的冷脆性。鐵水中硫含量必須嚴(yán)禁控制，硫的含量過(guò)高會(huì)增加鑄件的熱脆性，在高溫狀態(tài)下沿晶粒邊界易產(chǎn)生裂紋，對(duì)鑄件的內(nèi)在質(zhì)量產(chǎn)生極其不利的影響。

4.1.2 ?鐵水澆鑄溫度的控制

鐵水澆鑄溫度一般控制在1 450 ℃左右，溫度過(guò)低，則會(huì)引起縮孔，溫度過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生氣孔。

4.1.3 ?澆鑄時(shí)應(yīng)保證鐵水流動(dòng)連續(xù)、速度適中

鐵水進(jìn)入型腔時(shí)，流速過(guò)小，則容易造成冷隔或未澆滿的缺陷，流速過(guò)大或發(fā)生噴射現(xiàn)象時(shí)，則可能發(fā)生金屬夾氣或產(chǎn)生鐵豆，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔和冷豆缺陷。

4.1.4 ?淺鑄前對(duì)鐵水的處理

澆鑄前對(duì)鐵水用孕育劑進(jìn)行孕育處理，以改善鐵水的流動(dòng)性能和金屬結(jié)構(gòu)。

4.1.5 ?澆鑄后鑄件自然冷卻后方可清砂

如果在鑄件溫度較高時(shí)進(jìn)行清砂處理，會(huì)加劇鑄件內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，并增加鑄件表面硬度。

4.2 ?產(chǎn)品的加工

在對(duì)鑄件進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)把握以下技術(shù)要點(diǎn)：

①按工藝要求徑向找正，以保證葉片軸對(duì)稱布置。

②按工藝要求軸向定位，以保證各軸向加工尺寸的精確度。

③加工前進(jìn)行去應(yīng)力處理，以保證產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

④加工后對(duì)加工面進(jìn)行拋光處理，以增強(qiáng)外觀視覺(jué)效果。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

潛油電泵導(dǎo)葉輪產(chǎn)品的開發(fā)涉及到水力設(shè)計(jì)、毛坯和砂型設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的鑄造與加工等多上環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)處理的好壞，直接影響到產(chǎn)品的性能質(zhì)量和制造成本?？v觀產(chǎn)品開發(fā)的全過(guò)程、可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①水力設(shè)計(jì)為整個(gè)開發(fā)過(guò)程的基礎(chǔ)，也是開發(fā)過(guò)程中的重中之重，水力設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)葉輪的揚(yáng)程效率等綜合性能指標(biāo)起決定作用。

②鑄造毛坯的設(shè)計(jì)即要有足夠的加工余量、又要兼顧不給機(jī)加工造成過(guò)多的加工工作量。在保證鑄造產(chǎn)品合格率的同時(shí)，最大限度地減少加工余量，這一工作還需要進(jìn)一步探索。

③模具設(shè)計(jì)的好壞直接影響到砂件的成品率和出模速度。要保證砂件的充實(shí)度和出模速度還需對(duì)覆膜砂的流動(dòng)特性和模具的拔模斜度、排氣通道的位置和大小做進(jìn)一步的研究工作。

④產(chǎn)品的鑄造工藝和加工工藝流程的編排、工藝參數(shù)的確定直接影響到產(chǎn)品的成品率和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)鑄造和加工工藝流程還需進(jìn)一步改進(jìn)、細(xì)化，并建立完善的工藝實(shí)施保障制度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京：宇航出版社，1995.

[2] 丁成偉.離心泵與軸流泵[M].南寧：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[3] 曹文龍.鑄造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.