郭紅爭(zhēng)

（運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

1 黃河小北干流段的水沙特性

黃河小北干流地處黃河中游，上首起于晉陜峽谷的禹門(mén)口，下端止于風(fēng)陵渡，全長(zhǎng)132.5 km，為山西、陜西兩省界河，首端山峻流急，中段垣高灘闊，末端受華岳所阻，折而向東，由湖盆演變而成，既是地塹河道，又是游蕩性河道，還具有“揭河底”沖刷特征。由于水少沙多，水沙不協(xié)調(diào)，使河道萎縮、河床不斷淤積抬高、灘槽高差減小，河勢(shì)游蕩加劇。

黃河小北干流的徑流量大部分源自青海、甘肅，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，且有龍羊峽、劉家峽、萬(wàn)家寨等大型水利樞紐的調(diào)節(jié)，水源可靠。境內(nèi)已建的禹門(mén)口、北趙、夾馬口、尊村、和大禹渡等引黃工程，已成為省境中部及西南部工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的主要水源，由于黃河小北干流段泥沙含量大，沿線引黃泵站水泵出現(xiàn)葉輪磨損快、使用壽命短、檢修頻繁等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，就要從理論上研究水泵的性能參數(shù)及相互關(guān)系。

2 水泵的性能參數(shù)及相互關(guān)系

水泵是一種能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，它通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪將機(jī)械能傳給泵中的液體，使液體的能量增加，從而從低處提升到高處。一般常用的葉片泵是靠裝有葉片的葉輪不停地旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的，根據(jù)液體流出葉輪時(shí)的方向不同可分為離心泵、軸流泵和混流泵三種。

2.1 水泵的能量方程式

假定將葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水能的傳遞過(guò)程中能量無(wú)任何損失，其理想揚(yáng)程可由下式計(jì)算：

式中：H理——水泵理想揚(yáng)程，m；

u1、u2——水泵葉輪進(jìn)口、出口處的圓周速度，m/s；

cu1、cu2——水泵葉輪進(jìn)口、出口處的絕對(duì)速度，m/s；

D——葉輪直徑，m；

n葉——葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。

由水泵的能量方程式說(shuō)明：?jiǎn)挝灰褐厮@得的能量即揚(yáng)程，與葉輪的直徑和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。葉輪越大，轉(zhuǎn)速越高，揚(yáng)程就越大。離心泵一般就是利用加大葉輪直徑和提高轉(zhuǎn)速而增大揚(yáng)程的。

2.2 水泵的基本性能參數(shù)

水泵的性能通常由流量、揚(yáng)程、功率、效率及轉(zhuǎn)速幾個(gè)不同的工作參數(shù)表示的。水泵的基本性能曲線是指水泵在恒定轉(zhuǎn)速下，水泵揚(yáng)程、功率及效率等工作參數(shù)隨流量而變化的關(guān)系曲線。

對(duì)于離心泵，在恒定的轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程會(huì)隨著流量的增大而減小，功率會(huì)隨著流量的增大而加大，效率會(huì)隨著流量的增大由低到高再到低。以單級(jí)雙吸離心泵500S59 為例說(shuō)明，詳見(jiàn)表1。

表1 單級(jí)雙吸離心泵500S59 性能參數(shù)

2.3 水泵的實(shí)際揚(yáng)程和有效功率

2.3.1 水泵的實(shí)際揚(yáng)程

實(shí)際揚(yáng)程比理論揚(yáng)程小，這是因?yàn)橐后w在流過(guò)泵的過(guò)流部分如葉輪、進(jìn)出水管和泵殼等有各項(xiàng)水力損失。對(duì)于一般臥式離心泵，其額定揚(yáng)程可采用下式估算：

式中：H——水泵額定揚(yáng)程，m；

D——水泵葉輪外徑，m；

n——水泵額定轉(zhuǎn)速，r/min；

K——與水泵比轉(zhuǎn)速有關(guān)的系數(shù)。

2.3.2 水泵的有效功率

水泵功率可用下式估算：

式中：N——水泵有效功率，kW；

Q——水泵額定流量，m3/s；

H——水泵額定揚(yáng)程，m；

γ——液體的重度，N/m3。

理論公式和運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)，水泵的額定揚(yáng)程與水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)，葉輪越大、轉(zhuǎn)速越快，揚(yáng)程就越高；水泵的有效功率與流量、揚(yáng)程和液體的重度有關(guān)，流量越大、揚(yáng)程越高，水泵的有效功率就越大。隨著葉輪直徑的磨損，水泵揚(yáng)程自然也會(huì)得到降低。隨著含沙量增大，液體比重值增大，水泵軸有效功率也必然增大。

2.4 水泵的相似特性

2.4.1 比例律

對(duì)于工況相似的水泵，其流量、揚(yáng)程和功率與水泵的轉(zhuǎn)速關(guān)系可通過(guò)相似律得到：

相似律公式說(shuō)明，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，水泵的流量、揚(yáng)程和軸功率也隨之改變，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

2.4.2 比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速是水泵相似條件的一個(gè)判別數(shù)，它的大小是由葉輪本身形狀所決定的，也是反映水泵幾何特性和工作特性的綜合參數(shù)。流量Q、揚(yáng)程H及水泵轉(zhuǎn)速n三個(gè)工作參數(shù)的關(guān)系式如下：

式中：ns——水泵比轉(zhuǎn)數(shù)；

n——水泵額定轉(zhuǎn)速，r/min；

Q——水泵額定流量，當(dāng)葉輪為雙吸時(shí)可取m3/s；

H——水泵額定揚(yáng)程，對(duì)于多級(jí)泵可取為級(jí)數(shù)，m。

由比轉(zhuǎn)速公式可知，在一定轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程H越大，流量Q就越小，比轉(zhuǎn)速ns就越低，即高揚(yáng)程小流量的離心泵比轉(zhuǎn)速低。而低揚(yáng)程大流量的軸流泵，其比轉(zhuǎn)速就高。軸流泵揚(yáng)程低、流量大，所以轉(zhuǎn)速很大，其值在500～1 000 之間；離心泵揚(yáng)程高、流量小，比轉(zhuǎn)速就小，其值在40～300 之間；混流泵介于二者之間，其值在300～500 之間。

3 黃河小北干流段提水灌溉泵站水泵選型

從水泵的性能參數(shù)及相互關(guān)系看，水泵額定流量、揚(yáng)程及功率與水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。黃河小北干流泥沙含量大，沿線引黃泵站水泵葉輪容易產(chǎn)生磨損且檢修頻繁，需要從水泵轉(zhuǎn)速、葉輪結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化

3.1.1廠家對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的選擇

對(duì)水泵生產(chǎn)廠家而言，目前國(guó)內(nèi)外離心泵都趨向采用高轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)樗酶咿D(zhuǎn)速后效率會(huì)提高，且水泵體積會(huì)減小，重量會(huì)減輕，省工省料，最符合生產(chǎn)廠家獲取最大經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。同時(shí)，配套電機(jī)高轉(zhuǎn)速化后，體積亦會(huì)相應(yīng)減少，重量亦相應(yīng)減輕，同樣會(huì)實(shí)現(xiàn)省工省料。另外，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，功率因數(shù)變大，工作電流變小，無(wú)功功率減少，熱損耗降低，機(jī)組的裝置效率也會(huì)得到提高?？梢哉f(shuō)，水泵高轉(zhuǎn)速化有利于各方需求。

3.1.2 黃河流域泵站對(duì)轉(zhuǎn)速的要求

黃河流域水源中泥沙含量較大，水泵在運(yùn)行過(guò)程中的磨損成為水泵選型時(shí)的一項(xiàng)重要制約因素。

當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速較高時(shí)，運(yùn)行效率得到提高，但會(huì)對(duì)葉輪造成嚴(yán)重磨損，水泵的使用壽命縮短，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)增大，泵站的整體效益受損。也就是說(shuō)，高效率運(yùn)行省出來(lái)的電費(fèi)，遠(yuǎn)低于泵站的效益損失量，對(duì)用戶極為不利。因而對(duì)黃河流域泵站而言，應(yīng)采取多種措施，降低水泵轉(zhuǎn)速。

3.1.3 黃河流域水泵轉(zhuǎn)速的確定

考慮到水泵的運(yùn)行效率，一般將比轉(zhuǎn)數(shù)值控制在90～210 之間，否則運(yùn)行效率會(huì)降低。當(dāng)比轉(zhuǎn)速ns、流量Q一定時(shí)，欲降低水泵轉(zhuǎn)速n，只能降低揚(yáng)程H。在泵站地形揚(yáng)程確定的情況下，只能采用增加水泵級(jí)數(shù)的辦法來(lái)降低H的矛盾。若從運(yùn)行角度考慮，水泵級(jí)數(shù)越多，泵的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，加工難度越大，制造成本越高。

黃河流域泵站運(yùn)行實(shí)踐說(shuō)明：各水源泵站水泵轉(zhuǎn)速以≤980 r/min 為宜，單級(jí)揚(yáng)程以50～70 m 為宜，單級(jí)揚(yáng)程過(guò)高時(shí)，水泵使用壽命會(huì)急劇縮減。以運(yùn)城市大禹渡二級(jí)站、北趙謝村二級(jí)站及夾馬口泉杜二級(jí)站水泵型號(hào)為例說(shuō)明，詳見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)城市沿黃泵站水泵的特性參數(shù)

3.2 黃河泵站水泵結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

3.2.1 水泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水利灌溉泵站常用葉片泵，葉片泵主要分為離心泵、混流泵及軸流泵。高揚(yáng)程泵多采用離心泵，有蝸殼式單吸多級(jí)泵、蝸殼式雙吸多級(jí)泵、雙進(jìn)口蝸殼式多級(jí)泵三種。

蝸殼式單吸多級(jí)泵與蝸殼式雙吸多級(jí)泵比較：一是葉輪結(jié)構(gòu)形式不同，前者為單吸，后者為雙吸；二是軸向力平衡原理略有不同，前者為一個(gè)“背靠背”平衡方式，后者因是兩個(gè)雙吸葉輪，可看做兩個(gè)“背靠背”平衡方式；三是二者的汽蝕余量不同，當(dāng)兩臺(tái)泵的比轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、流量相同時(shí)，若前者氣蝕余量為△hr，則后者為0.63△hr。也就是說(shuō)，蝸殼式雙吸多級(jí)泵的氣蝕性能優(yōu)于蝸殼式單吸多級(jí)泵，但這兩種結(jié)構(gòu)均不適宜多泥沙泵站使用，因?yàn)楦舭鍍啥藟翰钶^大，級(jí)間泄漏量大，容易引起軸向力失去平衡，軸承極易損壞。

雙進(jìn)口蝸殼式多級(jí)泵與上述兩種多級(jí)泵比較：隔間泄漏量不流經(jīng)葉輪的隔板，兩端壓差很小。若我們將雙吸葉輪看作由兩個(gè)單吸葉輪“背靠背”地并聯(lián)工作，雙進(jìn)口蝸殼式多級(jí)泵實(shí)質(zhì)為兩臺(tái)單吸多級(jí)泵組合而成，且為“背靠背”并聯(lián)運(yùn)行。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，亦不會(huì)引起軸向力過(guò)多增加。實(shí)踐證明此種結(jié)構(gòu)較適應(yīng)于多泥沙高揚(yáng)程泵站。運(yùn)城市大禹渡二級(jí)站、北趙謝村二級(jí)站及夾馬口泉杜二級(jí)站都采用的是雙進(jìn)口蝸殼式多級(jí)泵。

3.2.2 水泵重量要求

水泵的總重量應(yīng)包括水泵的基本重量與壽命重量?jī)刹糠帧；局亓渴菫楸ＷC水泵的安全運(yùn)行的最小重量，當(dāng)水泵總重量小于或等于此重量時(shí)，水泵失去使用價(jià)值。水泵的壽命重量為水泵安全運(yùn)行期內(nèi)的總磨損量，它的重量直接影響水泵的使用壽命。

對(duì)用戶來(lái)講，水泵的總重量越大越好；對(duì)水泵生產(chǎn)廠家而言，在保證安全運(yùn)行的前提下越輕越好，存在成本與應(yīng)用的矛盾。

3.2.3 水泵口環(huán)要求

口環(huán)又稱減漏環(huán)、承磨環(huán)，可分為兩種，一種裝在葉輪上稱作葉輪減漏環(huán)，俗稱動(dòng)環(huán)；一種裝在葉輪進(jìn)口處的泵殼上，稱作水泵減漏環(huán)，俗稱定環(huán)。多泥沙水泵口環(huán)采用泵體與葉輪分別鑲裝，它們相互配合且成對(duì)出現(xiàn)，當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，可以同時(shí)更換。

口環(huán)型式有L 型、環(huán)形、階梯型三種，環(huán)形口環(huán)比較適宜多泥沙水泵，主要是因?yàn)榄h(huán)形口環(huán)加工相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于廠家接受。為了延長(zhǎng)口環(huán)使用壽命，動(dòng)環(huán)外徑、定環(huán)內(nèi)徑兩個(gè)表面宜噴焊Ni60 耐磨金屬。

3.2.4 水泵葉輪材質(zhì)要求

水泵葉輪傳統(tǒng)做法是砂型鑄造，但鋼（鐵）水中雜質(zhì)較多，鑄件缺陷難以避免，直接影響鑄件的機(jī)械性能，特別是耐磨性，在多泥沙泵站中不宜采用。

鋼板焊接葉輪是采用Q235 鋼板經(jīng)過(guò)精煉爐冶煉后軋制而成，不但雜質(zhì)少，而且組織致密，表面質(zhì)量好。目前，黃河流域600 mm 口徑以上水泵葉輪大多采用鋼板焊接葉輪。焊接葉輪具有以下優(yōu)點(diǎn)：易現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊維修；葉片出口部位噴焊Ni60，耐磨效果好；葉片與圓盤(pán)連接處改為不銹鋼焊接，使用效果更好；光潔度好，可有效減少氣蝕磨損。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃河流域泵站出現(xiàn)的水泵葉輪磨損快、使用壽命短、檢修頻繁等一系列問(wèn)題的深入研究，文章提出了降低水泵轉(zhuǎn)速和優(yōu)化水泵結(jié)構(gòu)兩項(xiàng)措施。理論和實(shí)踐證明：黃河流域各水源泵站水泵轉(zhuǎn)速以≤980 r/min 為宜，單級(jí)揚(yáng)程以50～70 m 為宜；高揚(yáng)程泵站宜采用雙進(jìn)口蝸殼式多級(jí)泵，其葉輪宜采用鋼板焊接葉輪，口環(huán)型式宜采用環(huán)形且表面噴焊Ni60 耐磨金屬。另外，為了保證水泵使用壽命，水泵重量應(yīng)作為一項(xiàng)重要指標(biāo)來(lái)考量。