山西省中部引黄工程地下泵站水泵选型及抗泥沙磨蚀措施分析

朱建文

(山西省中部引黄水务开发有限公司，山西太原030000)

1 前言

目前，高扬程大型离心泵的研制技术主要被少数国际大公司垄断，国内有类似制造业绩的厂家的工程实例不多，除哈尔滨电机厂成功自主研发了云南牛栏江滇池补水工程干河泵站的单级单吸高扬程大型离心泵外，尚无其他工程先例。因此，从国家重大装备需求及技术创新的战略高度出发，有必要开展此类水泵的研究。

中部引黄工程地下泵站水泵一期工程，水泵抽送的是黄河水，泥沙含量大。工程自天桥水电站库区取水，取水口位于天桥水电站左坝头上游380 m处，取水泵站为地下泵站，布置7台机组，一期安装两台立式、单吸、单级蜗壳式离心泵，设计流量6.6 m3/s，额定转速600 r/min，设计扬程200 m，属高扬程大容量泵组。

2 水泵参数的确定

2.1 流量和扬程

水泵设计扬程200 m，由于本泵站水中含有泥沙，水泵年利用小时数较高，为减少泥沙磨损，不宜选用过高的转速。本工程选用额定转速600 r/min适合该泵站的具体情况。在额定转速600 r/min下，设计流量6.6 m3/s。

2.2 比转速、转速和空化系数

水泵比转速的计算公式为：

从公式中可知，提高转速和水泵的使用单位流量，可提高水泵比转速。通过参考国内外几十座抽水蓄能电站和国内外大型离心式泵站的统计结果，可知对应设计扬程为200.0 m的水泵，其设计比转速应该在30 m·m3/s左右。

根据模型试验结果，最大扬程为201.0 m，当转速为600 r/min时，对应的模型转轮的临界空化系数为0.04～0.048，模型转轮的初生空化系数为0.08～0.122，对应的装置空化系数为应大于0.138～0.156；最小扬程为195.8 m，额定转速为600 r/min，对应的模型转轮的临界空化系数为0.051～0.067，模型转轮的初生空化系数为0.08～0.14，对应的装置空化系数为应大于0.138～0.156，在安装高程为808.5 m时水泵的吸出高度为-18.6 m，能保证泵站在无空化状态下运行。

2.3 水泵效率和最大轴功率

模型水泵的最高效率为91.79%。水泵的最大轴功率按最低扬程、电网频率为50.0Hz时考虑，最低扬程时水泵的流量约为6.92 m3，水泵的效率为93.19%，考虑到加工和制造误差水泵的最大轴功率为14.9MW。

2.4 固定导叶数和转轮直径

大型水泵固定导叶数的选择与水力性能和结构有关。一般情况下在水泵直径较小时选用较小的固定导叶数，在直径较大时，为提高座环刚度需适当增加固定导叶数。通过对不同导叶数和不同导叶入流角的情况进行CFD分析计算，利用转轮出口的速度矢量作为导叶区优化设计的入口条件，优化导叶的最佳入流角度范围、最佳导叶个数，并进行导叶与蜗壳的联合计算，确定导叶出口角与蜗壳匹配性能。选择固定导叶数为12+1的方案。

根据水泵相似律和水泵设计的相似换算法，考虑尺寸效应的尺寸系数采用下式计算：

根据模型泵和原型泵的流量、转速参数，可求得：原型泵和模型泵的尺寸比为3.05。综合考虑驼峰余量、水泵最大轴功率和空化特性，选择水泵名义直径D1为967.0 mm，D2为1942.6 mm。

2.5 叶轮外缘线速度分析

叶轮外缘线速度按以下公式计算：

式中：u为线速度；D2为叶轮出口直径；n为转速。

故：

根据已有引黄泵站的运行经验，对于抽黄河水的水泵，叶轮外缘线速度一般要求小于45 m/s，当大于45 m/s时，需要采取有效的抗磨蚀措施。

3 抗泥沙磨蚀措施

根据经验，对有泥沙的泵站，一般情况下，装置空化系数与临界空化系数的比值K应选择为1.8～2.0左右，装置空化系数与初生空化系数的比值K应选择为1.1以上，可使泵轮基本上在无空化条件下运行，减小空蚀与泥沙磨损的联合作用。

从国内外的研究成果来看，结合牛栏江引水入滇工程和万家寨引黄工程，相对流速的大小对磨损的影响最大，尤其局部流速增大将会造成局部磨蚀的增加，需要为提高转轮的抗磨蚀能力。

3.1 水泵结构及材料要求

3.1.1 蜗壳

(1)水泵蜗壳应采用明设布置，其出口通过法兰与出口延伸管段连接。

(2)蜗壳应采用耐泥沙磨损、可常温焊接的、可焊性好的，性能不低于Q345R材料制造。设计时应考虑不少于5 mm的泥沙磨损腐蚀余量。蜗壳内表面应采用可修复的抗磨蚀涂层。

3.1.2 顶盖

顶盖应采用优质(不低于Q235B性能)钢板焊接结构，整体运输。顶盖外圆直径应满足在水泵叶轮芯包拆出情况下从水泵叶轮中拆吊孔吊出的要求。

3.1.3 座环及固定导叶

(1)座环及固定导叶是水泵重要的传力受力部件和水泵出口水流进入蜗壳的导流部件。座环与蜗壳的连接应为可拆式结构，应满足其过流表面泥沙磨蚀后便于修复。座环及固定导叶应采用抗空蚀抗磨损性能和焊接性能不低于0Cr16Ni5Mo(碳含量≤0.045%)超低碳不锈钢材料制造。

(2)固定导叶可采用不锈钢厚钢板模压或锻造成型后数控加工，上下环板采用锻造成型后数控加工，分别抛光成需要的尺寸，之后组焊。焊接时应做好防变形措施，焊后应按本钢种的热处理工艺规范和合理的防变形措施进行热处理、消除焊接应力。

(3)座环及固定导叶应有足够的强度和刚度。

(4)座环内上下过流表面和固定导叶过流表面(特别进口部位)应设置抗磨涂层保护。该涂层应具有优良的抗泥沙磨损能力。

3.1.4 叶轮

(1)叶轮为单吸、单级、离心式。水泵叶轮应采用铸焊结构。应满足其过流表面泥沙磨蚀后便于修复。叶轮上、下盖板应锻造或铸造(VOD精炼)成型后数控加工并抛光成需要的尺寸；叶片加工应采用“叶片模压成型+数控加工”“VOD精铸+数控加工”两种方式中的一种，以提高质量和精度。

(2)叶轮和水泵主轴的连接方式应考虑到采用芯包快速检修更换叶轮的需要。并保证在任何运行工况、任何转速包括最大反向飞逸转速下均能安全运转。

(3)叶片过流表面应光滑、型线应准确。

(4)叶轮设计应能承受水泵/电动机组的最大飞逸转速。

(5)为便于维护叶轮和密封环，先拆卸中间轴，然后将叶轮芯包等从水泵层吊起，水平运输至进水侧球阀的吊物孔下方，再利用厂房桥式起重机从球阀吊物孔吊入(或吊出)进行修理和维护。

3.1.5 主轴和中间轴

(1)水泵电动机组为三段轴结构，包括水泵主轴、电动机轴及连接水泵主轴和电动机轴的中间轴。

(2)主轴、中间轴及其法兰(如果有)的材质应采用性能不低于20SiMn的材料整体锻造。主轴、中间轴应具有相同的外径。

(3)中间轴应具有足够的长度以允许水泵整体芯包能够中拆移出。

3.1.6 主轴密封

主轴密封包括工作密封和检修密封。在主轴穿过顶盖的部位应设置密封装置。主轴密封的设计、材料选择应充分考虑黄河泥沙的影响。

3.1.7 水泵导轴承

轴承的冷却器管材料和结构应便于拆卸和检修，具有足够的热交换容量并应能适应本工程以未经处理的黄河含沙水流作为冷却介质，具有防泥沙沉淀并便于清洗的特点。

3.2 采用最佳的制造方式

选用材质好，制造工艺水平高，可以大大降低空蚀强度，延长使用寿命。采用VOD精炼炉冶炼毛坯。叶片加工质量的好坏与泵轮的抗磨性能有很大关系，叶片的型线加工应采用数控加工。

3.3 采用喷涂工艺

对叶轮、密封环、导叶采用HVOF技术喷涂碳化钨硬涂层。

对蜗壳、座环、进水管(含进水肘管)、出水管等低流速区喷涂性能不低于聚氨脂的涂层。

4 结论

山西省中部引黄工程地下泵站水泵具有流量大、扬程高、功率大、泥沙含量高的特点，考虑工期因素，从提高我国泵装备技术水平的角度出发，该泵站水泵分为二期采购，其中第一期2台立式、单吸、单级蜗壳离心泵为国内招标采购。本项目分别对水泵选型、抗泥沙磨蚀措施等进行了研究，提出如下结论：水泵型式一期工程为立式、单吸、单级蜗壳式离心泵，设计流量6.6 m3/s；设计扬程200 m，转速600 r/min。从优化水泵水力设计、抗泥沙磨损结构、选用较优的耐磨蚀材料、采用最佳的制造方式、采用高效的强化措施等5个方面来提高抗泥沙的磨蚀措施。目前工程2台水泵已安装完成，待试上水运行。