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(wù)開(kāi)發(fā)有限公司，山西太原030000)

1 前言

目前，高揚(yáng)程大型離心泵的研制技術(shù)主要被少數(shù)國(guó)際大公司壟斷，國(guó)內(nèi)有類似制造業(yè)績(jī)的廠家的工程實(shí)例不多，除哈爾濱電機(jī)廠成功自主研發(fā)了云南牛欄江滇池補(bǔ)水工程干河泵站的單級(jí)單吸高揚(yáng)程大型離心泵外，尚無(wú)其他工程先例。因此，從國(guó)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(kāi)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(kù)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(tái)機(jī)組，一期安裝兩臺(tái)立式、單吸、單級(jí)蝸殼式離心泵，設(shè)計(jì)流量6.6 m3/s，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，設(shè)計(jì)揚(yáng)程200 m，屬高揚(yáng)程大容量泵組。

2 水泵參數(shù)的確定

2.1 流量和揚(yáng)程

水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程200 m，由于本泵站水中含有泥沙，水泵年利用小時(shí)數(shù)較高，為減少泥沙磨損，不宜選用過(guò)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(jì)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(jì)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(guò)參考國(guó)內(nèi)外幾十座抽水蓄能電站和國(guó)內(nèi)外大型離心式泵站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程為200.0 m的水泵，其設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速應(yīng)該在30 m·m3/s左右。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，最大揚(yáng)程為201.0 m，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，對(duì)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(duì)應(yīng)的裝置空化系數(shù)為應(yīng)大于0.138～0.156；最小揚(yáng)程為195.8 m，額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，對(duì)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(duì)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(shí)水泵的吸出高度為-18.6 m，能保證泵站在無(wú)空化狀態(tài)下運(yùn)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(yáng)程、電網(wǎng)頻率為50.0Hz時(shí)考慮，最低揚(yáng)程時(shí)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(dǎo)葉數(shù)和轉(zhuǎn)輪直徑

大型水泵固定導(dǎo)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(shí)選用較小的固定導(dǎo)葉數(shù)，在直徑較大時(shí)，為提高座環(huán)剛度需適當(dāng)增加固定導(dǎo)葉數(shù)。通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)葉數(shù)和不同導(dǎo)葉入流角的情況進(jìn)行CFD分析計(jì)算，利用轉(zhuǎn)輪出口的速度矢量作為導(dǎo)葉區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)的入口條件，優(yōu)化導(dǎo)葉的最佳入流角度范圍、最佳導(dǎo)葉個(gè)數(shù)，并進(jìn)行導(dǎo)葉與蝸殼的聯(lián)合計(jì)算，確定導(dǎo)葉出口角與蝸殼匹配性能。選擇固定導(dǎo)葉數(shù)為12+1的方案。

根據(jù)水泵相似律和水泵設(shè)計(jì)的相似換算法，考慮尺寸效應(yīng)的尺寸系數(shù)采用下式計(jì)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(jì)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(dāng)大于45 m/s時(shí)，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(yàn)，對(duì)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(wú)空化條件下運(yùn)行，減小空蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用。

從國(guó)內(nèi)外的研究成果來(lái)看，結(jié)合牛欄江引水入滇工程和萬(wàn)家寨引黃工程，相對(duì)流速的大小對(duì)磨損的影響最大，尤其局部流速增大將會(huì)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(guò)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(jì)時(shí)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(fù)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(yùn)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(dǎo)葉

(1)座環(huán)及固定導(dǎo)葉是水泵重要的傳力受力部件和水泵出口水流進(jìn)入蝸殼的導(dǎo)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(guò)流表面泥沙磨蝕后便于修復(fù)。座環(huán)及固定導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(jìn)行熱處理、消除焊接應(yīng)力。

(3)座環(huán)及固定導(dǎo)葉應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。

(4)座環(huán)內(nèi)上下過(guò)流表面和固定導(dǎo)葉過(guò)流表面(特別進(jìn)口部位)應(yīng)設(shè)置抗磨涂層保護(hù)。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(jí)、離心式。水泵葉輪應(yīng)采用鑄焊結(jié)構(gòu)。應(yīng)滿足其過(guò)流表面泥沙磨蝕后便于修復(fù)。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(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)葉片過(guò)流表面應(yīng)光滑、型線應(yīng)準(zhǔn)確。

(4)葉輪設(shè)計(jì)應(yīng)能承受水泵/電動(dòng)機(jī)組的最大飛逸轉(zhuǎn)速。

(5)為便于維護(hù)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(yùn)輸至進(jìn)水側(cè)球閥的吊物孔下方，再利用廠房橋式起重機(jī)從球閥吊物孔吊入(或吊出)進(jìn)行修理和維護(hù)。

3.1.5 主軸和中間軸

(1)水泵電動(dòng)機(jī)組為三段軸結(jié)構(gòu)，包括水泵主軸、電動(dòng)機(jī)軸及連接水泵主軸和電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)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(guò)頂蓋的部位應(yīng)設(shè)置密封裝置。主軸密封的設(shè)計(jì)、材料選擇應(yīng)充分考慮黃河泥沙的影響。

3.1.7 水泵導(dǎo)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(diǎn)。

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(qiáng)度，延長(zhǎng)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(duì)葉輪、密封環(huán)、導(dǎo)葉采用HVOF技術(shù)噴涂碳化鎢硬涂層。

對(duì)蝸殼、座環(huán)、進(jìn)水管(含進(jìn)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(yáng)程高、功率大、泥沙含量高的特點(diǎn)，考慮工期因素，從提高我國(guó)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(gòu)，其中第一期2臺(tái)立式、單吸、單級(jí)蝸殼離心泵為國(guó)內(nèi)招標(biāo)采購(gòu)。本項(xiàng)目分別對(duì)水泵選型、抗泥沙磨蝕措施等進(jìn)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(jí)蝸殼式離心泵，設(shè)計(jì)流量6.6 m3/s；設(shè)計(jì)揚(yáng)程200 m，轉(zhuǎn)速600 r/min。從優(yōu)化水泵水力設(shè)計(jì)、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(qiáng)化措施等5個(gè)方面來(lái)提高抗泥沙的磨蝕措施。目前工程2臺(tái)水泵已安裝完成，待試上水運(yùn)行。