朱建文

(山西省中部引黃水務(wù)開發(fā)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(shù)主要被少數(shù)國際大公司壟斷，國內(nèi)有類似制造業(yè)績的廠家的工程實例不多，除哈爾濱電機廠成功自主研發(fā)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(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略高度出發(fā)，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(qū)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(shè)計流量6.6 m3/s，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，設(shè)計揚程200 m，屬高揚程大容量泵組。

2 水泵參數(shù)的確定

2.1 流量和揚程

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

2.2 比轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速和空化系數(shù)

水泵比轉(zhuǎn)速的計算公式為：

從公式中可知，提高轉(zhuǎn)速和水泵的使用單位流量，可提高水泵比轉(zhuǎn)速。通過參考國內(nèi)外幾十座抽水蓄能電站和國內(nèi)外大型離心式泵站的統(tǒng)計結(jié)果，可知對應(yīng)設(shè)計揚程為200.0 m的水泵，其設(shè)計比轉(zhuǎn)速應(yīng)該在30 m·m3/s左右。

根據(jù)模型試驗結(jié)果，最大揚程為201.0 m，當轉(zhuǎn)速為600 r/min時，對應(yīng)的模型轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)為0.04～0.048，模型轉(zhuǎn)輪的初生空化系數(shù)為0.08～0.122，對應(yīng)的裝置空化系數(shù)為應(yīng)大于0.138～0.156；最小揚程為195.8 m，額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，對應(yīng)的模型轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)為0.051～0.067，模型轉(zhuǎn)輪的初生空化系數(shù)為0.08～0.14，對應(yīng)的裝置空化系數(shù)為應(yīng)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(tài)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(wǎng)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(shù)和轉(zhuǎn)輪直徑

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

根據(jù)水泵相似律和水泵設(shè)計的相似換算法，考慮尺寸效應(yīng)的尺寸系數(shù)采用下式計算：

根據(jù)模型泵和原型泵的流量、轉(zhuǎn)速參數(shù)，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(zhuǎn)速。

故：

根據(jù)已有引黃泵站的運行經(jīng)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(jù)經(jīng)驗，對有泥沙的泵站，一般情況下，裝置空化系數(shù)與臨界空化系數(shù)的比值K應(yīng)選擇為1.8～2.0左右，裝置空化系數(shù)與初生空化系數(shù)的比值K應(yīng)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(lián)合作用。

從國內(nèi)外的研究成果來看，結(jié)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(zhuǎn)輪的抗磨蝕能力。

3.1 水泵結(jié)構(gòu)及材料要求

3.1.1 蝸殼

(1)水泵蝸殼應(yīng)采用明設(shè)布置，其出口通過法蘭與出口延伸管段連接。

(2)蝸殼應(yīng)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(shè)計時應(yīng)考慮不少于5 mm的泥沙磨損腐蝕余量。蝸殼內(nèi)表面應(yīng)采用可修復的抗磨蝕涂層。

3.1.2 頂蓋

頂蓋應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)(不低于Q235B性能)鋼板焊接結(jié)構(gòu)，整體運輸。頂蓋外圓直徑應(yīng)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(huán)及固定導葉

(1)座環(huán)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(huán)與蝸殼的連接應(yīng)為可拆式結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。座環(huán)及固定導葉應(yīng)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(shù)控加工，上下環(huán)板采用鍛造成型后數(shù)控加工，分別拋光成需要的尺寸，之后組焊。焊接時應(yīng)做好防變形措施，焊后應(yīng)按本鋼種的熱處理工藝規(guī)范和合理的防變形措施進行熱處理、消除焊接應(yīng)力。

(3)座環(huán)及固定導葉應(yīng)有足夠的強度和剛度。

(4)座環(huán)內(nèi)上下過流表面和固定導葉過流表面(特別進口部位)應(yīng)設(shè)置抗磨涂層保護。該涂層應(yīng)具有優(yōu)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(yīng)采用鑄焊結(jié)構(gòu)。應(yīng)滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。葉輪上、下蓋板應(yīng)鍛造或鑄造(VOD精煉)成型后數(shù)控加工并拋光成需要的尺寸；葉片加工應(yīng)采用“葉片模壓成型+數(shù)控加工”“VOD精鑄+數(shù)控加工”兩種方式中的一種，以提高質(zhì)量和精度。

(2)葉輪和水泵主軸的連接方式應(yīng)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(zhuǎn)速包括最大反向飛逸轉(zhuǎn)速下均能安全運轉(zhuǎn)。

(3)葉片過流表面應(yīng)光滑、型線應(yīng)準確。

(4)葉輪設(shè)計應(yīng)能承受水泵/電動機組的最大飛逸轉(zhuǎn)速。

(5)為便于維護葉輪和密封環(huán)，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(cè)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(jié)構(gòu)，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(zhì)應(yīng)采用性能不低于20SiMn的材料整體鍛造。主軸、中間軸應(yīng)具有相同的外徑。

(3)中間軸應(yīng)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(yīng)設(shè)置密封裝置。主軸密封的設(shè)計、材料選擇應(yīng)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(jié)構(gòu)應(yīng)便于拆卸和檢修，具有足夠的熱交換容量并應(yīng)能適應(yīng)本工程以未經(jīng)處理的黃河含沙水流作為冷卻介質(zhì)，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(zhì)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(zhì)量的好壞與泵輪的抗磨性能有很大關(guān)系，葉片的型線加工應(yīng)采用數(shù)控加工。

3.3 采用噴涂工藝

對葉輪、密封環(huán)、導葉采用HVOF技術(shù)噴涂碳化鎢硬涂層。

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

4 結(jié)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(shù)水平的角度出發(fā)，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(nèi)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(jié)論：水泵型式一期工程為立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，設(shè)計流量6.6 m3/s；設(shè)計揚程200 m，轉(zhuǎn)速600 r/min。從優(yōu)化水泵水力設(shè)計、抗泥沙磨損結(jié)構(gòu)、選用較優(yōu)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。