山西省中部引黃工程地下泵站水泵選型及抗泥沙磨蝕措施分析

朱建文

(山西省中部引黃水務開發有限公司，山西太原030000)

1 前言

目前，高揚程大型離心泵的研制技術主要被少數國際大公司壟斷，國內有類似制造業績的廠家的工程實例不多，除哈爾濱電機廠成功自主研發了云南牛欄江滇池補水工程干河泵站的單級單吸高揚程大型離心泵外，尚無其他工程先例。因此，從國家重大裝備需求及技術創新的戰略高度出發，有必要開展此類水泵的研究。

中部引黃工程地下泵站水泵一期工程，水泵抽送的是黃河水，泥沙含量大。工程自天橋水電站庫區取水，取水口位于天橋水電站左壩頭上游380 m處，取水泵站為地下泵站，布置7臺機組，一期安裝兩臺立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，設計流量6.6 m3/s，額定轉速600 r/min，設計揚程200 m，屬高揚程大容量泵組。

2 水泵參數的確定

2.1 流量和揚程

水泵設計揚程200 m，由于本泵站水中含有泥沙，水泵年利用小時數較高，為減少泥沙磨損，不宜選用過高的轉速。本工程選用額定轉速600 r/min適合該泵站的具體情況。在額定轉速600 r/min下，設計流量6.6 m3/s。

2.2 比轉速、轉速和空化系數

水泵比轉速的計算公式為：

從公式中可知，提高轉速和水泵的使用單位流量，可提高水泵比轉速。通過參考國內外幾十座抽水蓄能電站和國內外大型離心式泵站的統計結果，可知對應設計揚程為200.0 m的水泵，其設計比轉速應該在30 m·m3/s左右。

根據模型試驗結果，最大揚程為201.0 m，當轉速為600 r/min時，對應的模型轉輪的臨界空化系數為0.04～0.048，模型轉輪的初生空化系數為0.08～0.122，對應的裝置空化系數為應大于0.138～0.156；最小揚程為195.8 m，額定轉速為600 r/min，對應的模型轉輪的臨界空化系數為0.051～0.067，模型轉輪的初生空化系數為0.08～0.14，對應的裝置空化系數為應大于0.138～0.156，在安裝高程為808.5 m時水泵的吸出高度為-18.6 m，能保證泵站在無空化狀態下運行。

2.3 水泵效率和最大軸功率

模型水泵的最高效率為91.79%。水泵的最大軸功率按最低揚程、電網頻率為50.0Hz時考慮，最低揚程時水泵的流量約為6.92 m3，水泵的效率為93.19%，考慮到加工和制造誤差水泵的最大軸功率為14.9MW。

2.4 固定導葉數和轉輪直徑

大型水泵固定導葉數的選擇與水力性能和結構有關。一般情況下在水泵直徑較小時選用較小的固定導葉數，在直徑較大時，為提高座環剛度需適當增加固定導葉數。通過對不同導葉數和不同導葉入流角的情況進行CFD分析計算，利用轉輪出口的速度矢量作為導葉區優化設計的入口條件，優化導葉的最佳入流角度范圍、最佳導葉個數，并進行導葉與蝸殼的聯合計算，確定導葉出口角與蝸殼匹配性能。選擇固定導葉數為12+1的方案。

根據水泵相似律和水泵設計的相似換算法，考慮尺寸效應的尺寸系數采用下式計算：

根據模型泵和原型泵的流量、轉速參數，可求得：原型泵和模型泵的尺寸比為3.05。綜合考慮駝峰余量、水泵最大軸功率和空化特性，選擇水泵名義直徑D1為967.0 mm，D2為1942.6 mm。

2.5 葉輪外緣線速度分析

葉輪外緣線速度按以下公式計算：

式中：u為線速度；D2為葉輪出口直徑；n為轉速。

故：

根據已有引黃泵站的運行經驗，對于抽黃河水的水泵，葉輪外緣線速度一般要求小于45 m/s，當大于45 m/s時，需要采取有效的抗磨蝕措施。

3 抗泥沙磨蝕措施

根據經驗，對有泥沙的泵站，一般情況下，裝置空化系數與臨界空化系數的比值K應選擇為1.8～2.0左右，裝置空化系數與初生空化系數的比值K應選擇為1.1以上，可使泵輪基本上在無空化條件下運行，減小空蝕與泥沙磨損的聯合作用。

從國內外的研究成果來看，結合牛欄江引水入滇工程和萬家寨引黃工程，相對流速的大小對磨損的影響最大，尤其局部流速增大將會造成局部磨蝕的增加，需要為提高轉輪的抗磨蝕能力。

3.1 水泵結構及材料要求

3.1.1 蝸殼

(1)水泵蝸殼應采用明設布置，其出口通過法蘭與出口延伸管段連接。

(2)蝸殼應采用耐泥沙磨損、可常溫焊接的、可焊性好的，性能不低于Q345R材料制造。設計時應考慮不少于5 mm的泥沙磨損腐蝕余量。蝸殼內表面應采用可修復的抗磨蝕涂層。

3.1.2 頂蓋

頂蓋應采用優質(不低于Q235B性能)鋼板焊接結構，整體運輸。頂蓋外圓直徑應滿足在水泵葉輪芯包拆出情況下從水泵葉輪中拆吊孔吊出的要求。

3.1.3 座環及固定導葉

(1)座環及固定導葉是水泵重要的傳力受力部件和水泵出口水流進入蝸殼的導流部件。座環與蝸殼的連接應為可拆式結構，應滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。座環及固定導葉應采用抗空蝕抗磨損性能和焊接性能不低于0Cr16Ni5Mo(碳含量≤0.045%)超低碳不銹鋼材料制造。

(2)固定導葉可采用不銹鋼厚鋼板模壓或鍛造成型后數控加工，上下環板采用鍛造成型后數控加工，分別拋光成需要的尺寸，之后組焊。焊接時應做好防變形措施，焊后應按本鋼種的熱處理工藝規范和合理的防變形措施進行熱處理、消除焊接應力。

(3)座環及固定導葉應有足夠的強度和剛度。

(4)座環內上下過流表面和固定導葉過流表面(特別進口部位)應設置抗磨涂層保護。該涂層應具有優良的抗泥沙磨損能力。

3.1.4 葉輪

(1)葉輪為單吸、單級、離心式。水泵葉輪應采用鑄焊結構。應滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。葉輪上、下蓋板應鍛造或鑄造(VOD精煉)成型后數控加工并拋光成需要的尺寸；葉片加工應采用“葉片模壓成型+數控加工”“VOD精鑄+數控加工”兩種方式中的一種，以提高質量和精度。

(2)葉輪和水泵主軸的連接方式應考慮到采用芯包快速檢修更換葉輪的需要。并保證在任何運行工況、任何轉速包括最大反向飛逸轉速下均能安全運轉。

(3)葉片過流表面應光滑、型線應準確。

(4)葉輪設計應能承受水泵/電動機組的最大飛逸轉速。

(5)為便于維護葉輪和密封環，先拆卸中間軸，然后將葉輪芯包等從水泵層吊起，水平運輸至進水側球閥的吊物孔下方，再利用廠房橋式起重機從球閥吊物孔吊入(或吊出)進行修理和維護。

3.1.5 主軸和中間軸

(1)水泵電動機組為三段軸結構，包括水泵主軸、電動機軸及連接水泵主軸和電動機軸的中間軸。

(2)主軸、中間軸及其法蘭(如果有)的材質應采用性能不低于20SiMn的材料整體鍛造。主軸、中間軸應具有相同的外徑。

(3)中間軸應具有足夠的長度以允許水泵整體芯包能夠中拆移出。

3.1.6 主軸密封

主軸密封包括工作密封和檢修密封。在主軸穿過頂蓋的部位應設置密封裝置。主軸密封的設計、材料選擇應充分考慮黃河泥沙的影響。

3.1.7 水泵導軸承

軸承的冷卻器管材料和結構應便于拆卸和檢修，具有足夠的熱交換容量并應能適應本工程以未經處理的黃河含沙水流作為冷卻介質，具有防泥沙沉淀并便于清洗的特點。

3.2 采用最佳的制造方式

選用材質好，制造工藝水平高，可以大大降低空蝕強度，延長使用壽命。采用VOD精煉爐冶煉毛坯。葉片加工質量的好壞與泵輪的抗磨性能有很大關系，葉片的型線加工應采用數控加工。

3.3 采用噴涂工藝

對葉輪、密封環、導葉采用HVOF技術噴涂碳化鎢硬涂層。

對蝸殼、座環、進水管(含進水肘管)、出水管等低流速區噴涂性能不低于聚氨脂的涂層。

4 結論

山西省中部引黃工程地下泵站水泵具有流量大、揚程高、功率大、泥沙含量高的特點，考慮工期因素，從提高我國泵裝備技術水平的角度出發，該泵站水泵分為二期采購，其中第一期2臺立式、單吸、單級蝸殼離心泵為國內招標采購。本項目分別對水泵選型、抗泥沙磨蝕措施等進行了研究，提出如下結論：水泵型式一期工程為立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，設計流量6.6 m3/s；設計揚程200 m，轉速600 r/min。從優化水泵水力設計、抗泥沙磨損結構、選用較優的耐磨蝕材料、采用最佳的制造方式、采用高效的強化措施等5個方面來提高抗泥沙的磨蝕措施。目前工程2臺水泵已安裝完成，待試上水運行。