牛欄江-滇池補水工程高揚程大功率離心式水泵科研與設計

游 超，徐宏光，宮讓勤，吳喜東

（1. 水利部水利水電規劃設計總院，北京，100120；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱，150040；3. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱，150040）

0 前言

牛欄江—滇池補水工程是一項水資源綜合利用工程，是滇中調水的近期重點工程，近期重點向滇池補充生態水量，改善滇池水環境，并在昆明發生供水危機時，提供城市生活及工業用水。牛欄江—滇池補水工程由德澤水庫水源樞紐工程、干河泵站工程及干河泵站至昆明（盤龍江）的輸水線路工程組成，其中，干河泵站為補水工程的核心，泵站自牛欄江干流上的德澤水庫庫內取水，加壓后經無壓輸水線路（設計流量為23m3/s）將水引入昆明市的盤龍江。

干河泵站工程由進水隧洞、調壓井、主洞室、工作豎井、主交通洞、通風洞、出水豎井、地面出水池、地面 GIS樓和副廠房等組成。泵站提水設計流量為23m3/s，設計揚程221.2m；最大揚程233.2m，提水流量為20m3/s；最小揚程186.3m，加權平均揚程208.7m。泵站選用4臺（含1臺備用）立軸單吸單級離心式水泵機組。

中低比轉速離心泵因其揚程高、流量小、流道狹長且曲率較大等問題，導致效率不容易提高，中低比轉速的離心泵葉輪水力設計已有很多方法。周鑫等[1]人提出利用二元理論對低比轉速離心泵葉輪數值水力設計的方法；畢尚書等[2]人對低比轉速離心泵葉輪的現有的水力設計方法進行了全面的闡述；布存麗等[3]人對立式離心泵進行水力模型開發；徐巖等[4]人通過偏置葉輪短葉片改善了揚程駝峰特性；蔣青等[5]人通過理論推導,得出揚程特性曲線的數學方程，進而分析水力設計中幾何參數的選擇對該曲線的影響；袁壽其等[6]人提出了消除離心泵揚程曲線駝峰特性的三種葉輪；王勇等[7]人利用CFD技術對低比轉速離心泵在沖角變化時泵內的空化流場進行數值模擬；尉志蘋等[8]人從實踐的角度進行分析，提出了葉輪入口參數的葉片進口面積比是影響離心泵空化性能的一個非常重要的因素；Dyson等[9]人以泵泄漏量（設計流量的1%～5%）為邊界條件，模擬計算了一臺3葉片離心泵非定常流場合關死點揚程；Bacharoudis等[10]人在保證葉輪出口直徑不變的前提下，通過改變葉片出口角來分析水泵性能。

通過閱讀以上國內外研究資料發現，對于中低比轉速離心泵的水力特性研究比較完善，也取得了一定的成果。但是，對于揚程變幅較大以及在最高揚程、設計揚程和最小揚程條件下運行時均對供水流量有要求的中低比轉速離心泵的研究還很少。

1 水泵選型與設計難點

干河泵站水泵選型與設計中存在以下幾個難點：

（1）泵站運行揚程變幅大。干河泵站運行揚程變幅約47m，約為設計揚程的21.2%，最小揚程僅為設計揚程的84.2%，水泵運行揚程變幅大，離心水泵在低揚程下的流量特性對其效率和空化性能可能有明顯的影響，應引起足夠的重視。

（2）水泵設計難度很大。泵站在最高揚程、設計揚程和最小揚程條件下運行時均對供水流量有要求，泵站的最大過流能力受泵站后的明流輸水隧洞過流能力的限制，水泵在低揚程下的流量特性還關系到輸水建筑物的安全；單級水泵的最大揚程超過200m，從揚程與流量角度來分析，可供選擇的比轉速約為89m·m3/s或 107m·m3/s，水泵的比轉速低，設計難度大。這就需要根據工程的實際邊界條件，選擇合適性能的水泵并予以驗證其特性，并確定水泵采用調節的必要性及調節方式。

（3）水泵年利用小時數高，水流中含有泥沙。設計供水量下工作泵的年運行時間近7000h，年運行時間很長，且從水庫中抽取的水流中含有泥沙（尤其是汛期），這將對水泵的性能和使用壽命產生影響。

（4）國內外可生產干河泵站水泵的制造廠家不多。從設計技術和經驗、制造能力和業績來看，目前單純從事水泵制造的國內廠家幾乎都不具備生產干河泵站機組的能力，具備生產干河泵站水泵能力的國外專業水泵生產廠家也只三四家。國內大型水電設備制造廠商擁有抽水蓄能可逆式水泵水輪機技術，但水泵在抗泥沙磨損、水力性能和結構上與水泵水輪機相差巨大，其水泵研制經驗欠缺。

2 水泵科研

干河泵站與工程的成敗及效益緊密相關。干河泵站的立軸單級離心式水泵運行揚程高、功率大，是我國軸功率最大的離心水泵，國際上沒有類似比轉速的水泵可供直接借鑒。為選擇性能合適的水泵并予以驗證其特性，確定水泵流量調節的必要性及調節方式，分析泥沙對水泵過流部件的影響，降低水泵設備的投資，因此開展了高揚程大流量水泵的特性及調節方式研究。

研究采用計算機流體動態分析（CFD）方法進行三維粘性流解析，分析特征工況下水泵內部的壓力場、流態和速度矢量分布，開發新的目標水泵，預估水泵的綜合性能，根據模型試驗結果進行水力設計的整體優化，再次通過模型試驗對優化設計的水泵進行性能驗證，開發出了適合于干河泵站的 A1054離心泵。A1054水泵的模型特性曲線如圖1所示。

根據水泵的模型試驗成果、水泵選型設計和流量調節計算分析，研究成果如下：

（1）A1054模型的最優效率為91.57%，綜合性能達到了國際領先水平。

（2）綜合考慮水泵的水力設計、運行效率、空化性能、抗泥沙磨損能力、機組設備投資和泵站工程設計等因素，確定水泵的額定轉速為600r/min。

圖1 A1054離心泵模型特性曲線圖（D2m=0.61m，nm=800r/min）

（3）按葉輪最小淹沒深度27m考慮，水泵在設計揚程、最大揚程下的空化性能有足夠裕量，但水泵在揚程低于200m下難以實現無空化運行。水泵在低揚程區間運行時應采用變頻調速方式進行轉速調節，以改善水泵在低揚程區間的空化性能，提高水泵運行效率、減輕振動和空蝕，還可大大提高供水運行的安全性和靈活性。

（4）水泵流量調節的下限不宜低于6m3/s，在低揚程區間水泵的流量調節上限可在 8.5～9.0m3/s之間，相應轉速調節范圍在0.89～1.03倍額定轉速之間。A1054水泵采用變頻調速運行時，7.0～8.0m3/s的工作流量區間為高效率區間（原型水泵運行效率不低于92%），水泵空化性能良好，運行時宜優先考慮。

3 水泵設計

干河泵站的大型立式單級單吸離心泵是我國自行獨立研究、設計、制造的高揚程大功率水泵，在前期科研成果A1054水泵模型的基礎上，哈爾濱電機廠有限責任公司在獲得水泵生產合同后再次對水泵的水力設計和主要技術參數進行了部分優化，最終得到用于泵站的A1077水泵模型。

3.1 水泵主要參數

新投運水泵的主要參數見表1。

表1 干河泵站新投運水泵的主要參數表

3.2 水泵結構設計

（1）總體設計

水泵進水管、蝸殼座環均埋在混凝土中。水泵采用中拆結構，設有中間軸與電動機軸連接，水泵的可拆卸部件均可在水泵層拆裝。水泵機坑內設直行吊車，可滿足泵芯包（包括葉輪、泵軸、導軸承和主軸密封等部件）的整體拆裝要求。

水泵總體結構如圖2所示。

（2）埋設部件

水泵的引水部件均按承壓部件設計。進水管設計壓力為1.6MPa，采用Q235B鋼板焊接而成，錐管段設有檢修進人門。出水蝸殼按上部設置彈性層、單獨承受最大內水壓（含水錘壓力）設計，設計壓力不小于3.5MPa；蝸殼采用鋼板Q345R焊接制成，鋼板厚度留有不小于 5mm的磨損腐蝕余量，出口擴散段設有止推環。座環環板采用16Mn-Z25抗撕裂鋼板，固定導葉材料采用Q345C。蝸殼與座環的焊接全部在廠內進行，運至工地現場后進行水壓試驗。

圖2 干河泵站水泵總體結構設計圖

（3）葉輪

葉輪為整體鑄焊結構。上冠、下環采用抗空蝕、抗腐蝕和具有良好焊接性能的馬氏體 00Cr16Ni5Mo不銹鋼材料鑄造而成。葉片數為 9個，采用0Cr16Ni5Mo不銹鋼板模壓成型后進行數控加工。葉輪進口直徑Ф1024mm，出口直徑為Ф2062mm。葉輪流道狹長、出口高度小，為滿足焊接空間要求，設計時采取了一些特殊的焊接措施。葉輪設斜梳齒型止漏環。葉輪與主軸采用螺栓連接、摩擦傳遞扭矩的聯接方式，以滿足葉輪的互換性要求。為減小軸向水推力，在葉輪上腔梳齒后采取了減壓排水措施，在頂蓋上設有4個減壓排水管。

（4）泵軸

水泵軸段由主軸及中間軸組成，均采用外法蘭中空厚壁軸，整體鍛造，材料為鍛鋼 20SiMn。主軸法蘭外徑φ720mm，軸身外徑φ400 mm，內孔直徑φ100 mm，長度2000 mm。中間軸法蘭外徑φ720mm，軸身外徑φ400 mm，內孔直徑φ100 mm，長度2600 mm。

主軸及中間軸具有足夠的強度和剛度，能在包括最大反向飛逸轉速在內的任何轉速下運行而沒有有害的振動和變形。

（5）頂蓋、導軸承、主軸密封

水泵頂蓋采用結構簡單的厚平板制成。

導軸承能安全承受正常運行、泵組不加制動慣性滑行停機和泵組以最大反向飛逸轉速慣性旋轉直至停機（不加制動）過程中的全部徑向負荷。導軸承固定在頂蓋上，為稀油潤滑、巴氏合金表面的分塊瓦結構，共8塊瓦。導軸承采用獨立的自循環潤滑系統，潤滑油在主軸旋轉作用下作自循環，油箱內設有內置冷卻器。導軸承設有測瓦溫、油溫及油位等自動化監測元件。為防止油霧溢出，在油箱蓋上設有油霧吸收裝置。

在導軸承與頂蓋之間主軸上設有主軸密封。工作密封采用多層徑向密封、自補償型結構，密封塊為耐磨耐腐蝕的高分子材料，主軸對應位置設有不銹鋼抗磨套；工作密封通有清潔壓力水，對密封塊進行潤滑冷卻，并可防止泥沙進入密封與抗磨套之間。工作密封下方設置有充氣式圍帶結構的檢修密封。

4 水泵過流部件的抗泥沙磨損防護

為防止高速含沙水流對水泵過流表面的磨損，對水泵過流部件采取了如下防護措施：

4.1 過流表面金屬材料防護

金屬材料防護采用高速火焰噴涂（HVOF）熱熔碳化鎢。碳化鎢涂層由專業的廠家進行噴涂，涂層厚度約0.3mm，表面具有高硬度和高耐磨性。

葉輪在進、出水邊和梳齒密封進行硬噴涂，根據施工作業能力噴涂面積范圍盡可能大；固定導葉迎水面和頭部圓角、座環上下環板過流面、基礎環過流面亦采用硬噴涂。

4.2 過流表面非金屬材料防護

對蝸殼內表面及固定導葉背面噴涂改性聚氨酯材料進行泥沙磨損防護。經反復多層噴涂，涂層厚度達到1mm左右。該涂層在噴砂后的金屬表面附著能力較強，具有較強的抗泥沙沖刷能力。蝸殼內表面噴涂后的效果圖如圖3所示。

圖3 蝸殼內表面軟噴涂后實物圖

5 結論

通過對干河泵站水泵開展的模型開發研究、選型計算、調速分析和泥沙磨損等一系列完整的創新性研究，開發出了適合干河泵站的大型中低比轉速單吸單級立式離心泵，其設計優化思路和研究方法對水利行業大型水泵的研制具有重要指導意義。

干河泵站全部4臺水泵機組已于2013年陸續投入運行，截止至2014年6月底已累計抽水2.3億m3，水泵運行時的狀態監測數據顯示，各臺水泵機組的入力、振動、瓦溫等數據均滿足設計要求。干河泵站大型中低比轉速離心泵的開發成功，不僅降低了泵站運行成本，還顯著降低了水泵設備的投資，并且大大促進了我國大型水泵的科研、設計、制造技術的發展和進步，標志著我國大型離心水泵的研發具有世界領先水平，對提高我國水泵行業的技術水平具有重要的意義。

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