葉輪切削技術與再制造高效電機匹配
2014-6-30 來源：數控機床市場網 作者：西電三菱電機開關設備有限公司
1 概述
泵是一種流體機械，它是將原動機的機械能轉變為輸送流體、給予流體能量的機械。它是國民經濟各部門必不可少的機械設備，被廣泛的應用在工業中，用于為工藝輸送流體、為水利系統提供動力。由于泵對于許多用戶的日常生產運行非常重要，導致用戶為了確保泵能夠滿足所有的工況條件而在泵的選型過程中過于保守，所選泵對于系統而言容量過大。為了保證泵能夠充分滿足系統的要求，工程師通常忽略選取過大的泵所增加的成本，而只考慮增大泵的容量來保證系統運行的安全性要求。令人遺憾的是，這種使用方式導致了更高的系統運行及維護保養成本。另外，在低效率的運行操作條件下，泵選型過大通常情況下比流量和揚程與系統匹配的泵需要更頻繁的維護保養。過大的流動能量提高了磨損并且損害系統部件，導致閥門損害、管道系統承壓增加及噪音問題的出現。人們習慣將泵選型過大稱為“大馬拉小車”現象，處理這種現象有節流、旁通、調速、更換泵、葉輪切削、葉輪置換等幾種方法，前面三種用戶采用較多，實際上在某些高電壓供電場合有時應用葉輪切削的方法更為簡單有效。
由于水泵在設計選型時通常會存在加大和重復選型系數現象，致使水泵負載較低，大馬拉小車的情況，經常使水泵長期處于輕載運行狀態，水泵負載的高效工作區較窄，輕載后往往處于低效率工作區。這就造成了泵系統工作效率低，浪費能源的現象。在對水泵這類二次方負載進行節能再制造時，對水泵葉輪切削滿足正常需要，同時根據切削后水泵軸功率調整電機的設計，使電動機與水泵功率合理匹配，提高系統運行效率，達到系統節能的目的。
2 葉輪切削原理
2.1 基本原理
葉輪切削是指加工處理葉輪的直徑來降低傳輸到系統流體當中的能量。葉輪切削對于過分保守的設計或者系統負荷發生了變化所導致的泵容量偏大的情況是個非常有用的改進措施。葉輪切削降低了葉輪的端速，并由此直接地降低了傳遞到系統流體介質上的能量，并且降低了泵所產生的流量和壓力，如圖1 所示。離心泵相似性定律提供了在恒定的泵速度條件下葉輪尺寸及泵輸出之間的理論關系：
在這里：Q=流量；H=揚程；BHP=泵電機的制動馬力（下標1=原始泵，下標2=經過葉輪切削后的泵）；D=直徑
在實際應用當中，由于流動的非線性導致這些關系并不是非常的精確；然而，葉輪切削對流量、壓頭以及功率的基本作用仍然是有效的。例如，葉輪直徑減少2%會產生大約2%的流量下降， 4%的壓頭下降和6%的功率下降。對于比較小的變化而言，相似定律可以作為一個大概的判斷，葉輪切削的最終結果取決于系統曲線和泵性能的變化。
2.2 葉輪切削的優點
降低葉輪尺寸的主要好處是降低運行及維護保養成本。通過旁通管線和節流閥所浪費的能量以及通過系統噪音和振動所擴散的能量都會變得更少。葉輪切削的節能量基本上與直徑降低的立方成正比。因為電機和水泵都存在一個效率問題，所以電機實際消耗的功率會高于流體功率。
除了節能之外，葉輪切削還可以降低管道系統、閥門及管道系統支架的磨損。流體流動產生的管道系統振動會導致管道焊接部位和機械接頭疲勞。隨著使用時間的推移，焊縫和接頭會出現裂紋和松動，導致系統泄漏進而不得不進行停工檢修。從設計的觀點，過大的流體能量也不是所期望的。管道支架的間隔設定和選型通常情況下根據其能夠承受的管道及流體的靜負載、來自系統內部的壓力負載，以及溫度變化所造成的熱膨脹（在熱動力應用場合）來進行的。過大流體能量所產生的振動負載設計時并沒有考慮在內，所以會導致系統泄漏、停工檢修及額外維護保養。
2.3 葉輪切削的使用范圍
當系統存在下面列出的現象時，可考慮采用葉輪切削的方法：系統的大多數旁通閥打開，表明系統設備內的流量過大；系統需要過分節流來控制流到系統或工藝的流量；存在高噪音或者振動等級表明流量過大。泵遠離其設計點運行與從制造商買一個更小的葉輪相比，切削的效果要稍差一些。但是，在許多情況下，制造商可以提供的更小尺寸規格葉輪對系統負載來說太小，有時制造商甚至沒有更小型的葉輪可以提供。在這種情況下，葉輪切削可能是比更換整個泵/電機更實用的方法。
3 、再制造電機匹配技術
葉輪切削改變了泵軸功率，如果電機仍用原來的話，電機處于輕載狀態，電機效率較低，，我們根據實際需要流量揚程，切削水泵葉輪直徑，電機軸功率按照葉輪三次方下降，為使得配套電機處于高效區。我們將原配套電機額定功率再制造降功率設計為適應負載特性的高效運行的高效電機。電機高效再制造，就是將低效電機通過重新設計、更換零部件等方法，再制造成高效率電機或適用于特定負載和工況的系統節能電機。
對于原水泵配套電機我們有效利用原有的定轉子,把原鐵心降功率設計成切削后匹配功率的高效電機，重新設計繞組降低定子銅耗，重新浸漆，提高原電機使用壽命，改用高效風扇及新軸承。利用原來機座、端蓋保證按照尺寸不變。
4、 典型案例
上海閔行某化工材料有限公司的IS150-125-315 離心泵拖動電機，原來使用六安江淮生產的Y200L-4（30kW）電機，電動機的額定電流是57.6A，實際運行電流為50A，接近滿載。水泵的流量約為60L/S，揚程30M，現場發現實際上揚程只需要25m，目前流量富余，通過旁路閥釋放多余流量。且水泵在長期運行后葉輪已嚴重銹蝕，泵的效率降低。
我們通過切削葉輪，由于新的小葉輪解決流量揚程過大，同時解決了銹蝕問題，在設計上也更符合流體力學的相關理論，因此，更換葉輪后泵的軸功率降低為23kW。同時我們在設計YSFE2-200L-4 水泵專用電機時，適當地調整了電機的可變損耗與不變損耗的比例，使30kW 的YSFE2-200L-4 水泵專用電機在23kW 附近有較高的效率，運行功率約減小7kW。以年運行時間4000h，年節約能耗約為7kW×4000= 28000kW·h，投入共計2 萬，投資回收期1 年左右。
5 結束語
通過葉輪切削改變原理浪費的揚程流量，同時有針對性的對配套電機實際工況有針對性重新設計，使得與實際負載匹配提高水泵系統運行效率，同時再制造盡可能的利用舊原有材料，提升舊電機的使用壽命。
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