牛栏江-滇池补水工程高扬程大功率离心式水泵科研与设计

游 超，徐宏光，宫让勤，吴喜东

（1. 水利部水利水电规划设计总院，北京，100120；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨，150040；3. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨，150040）

0 前言

牛栏江—滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，是滇中调水的近期重点工程，近期重点向滇池补充生态水量，改善滇池水环境，并在昆明发生供水危机时，提供城市生活及工业用水。牛栏江—滇池补水工程由德泽水库水源枢纽工程、干河泵站工程及干河泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成，其中，干河泵站为补水工程的核心，泵站自牛栏江干流上的德泽水库库内取水，加压后经无压输水线路（设计流量为23m3/s）将水引入昆明市的盘龙江。

干河泵站工程由进水隧洞、调压井、主洞室、工作竖井、主交通洞、通风洞、出水竖井、地面出水池、地面 GIS楼和副厂房等组成。泵站提水设计流量为23m3/s，设计扬程221.2m；最大扬程233.2m，提水流量为20m3/s；最小扬程186.3m，加权平均扬程208.7m。泵站选用4台（含1台备用）立轴单吸单级离心式水泵机组。

中低比转速离心泵因其扬程高、流量小、流道狭长且曲率较大等问题，导致效率不容易提高，中低比转速的离心泵叶轮水力设计已有很多方法。周鑫等[1]人提出利用二元理论对低比转速离心泵叶轮数值水力设计的方法；毕尚书等[2]人对低比转速离心泵叶轮的现有的水力设计方法进行了全面的阐述；布存丽等[3]人对立式离心泵进行水力模型开发；徐岩等[4]人通过偏置叶轮短叶片改善了扬程驼峰特性；蒋青等[5]人通过理论推导,得出扬程特性曲线的数学方程，进而分析水力设计中几何参数的选择对该曲线的影响；袁寿其等[6]人提出了消除离心泵扬程曲线驼峰特性的三种叶轮；王勇等[7]人利用CFD技术对低比转速离心泵在冲角变化时泵内的空化流场进行数值模拟；尉志苹等[8]人从实践的角度进行分析，提出了叶轮入口参数的叶片进口面积比是影响离心泵空化性能的一个非常重要的因素；Dyson等[9]人以泵泄漏量（设计流量的1%～5%）为边界条件，模拟计算了一台3叶片离心泵非定常流场合关死点扬程；Bacharoudis等[10]人在保证叶轮出口直径不变的前提下，通过改变叶片出口角来分析水泵性能。

通过阅读以上国内外研究资料发现，对于中低比转速离心泵的水力特性研究比较完善，也取得了一定的成果。但是，对于扬程变幅较大以及在最高扬程、设计扬程和最小扬程条件下运行时均对供水流量有要求的中低比转速离心泵的研究还很少。

1 水泵选型与设计难点

干河泵站水泵选型与设计中存在以下几个难点：

（1）泵站运行扬程变幅大。干河泵站运行扬程变幅约47m，约为设计扬程的21.2%，最小扬程仅为设计扬程的84.2%，水泵运行扬程变幅大，离心水泵在低扬程下的流量特性对其效率和空化性能可能有明显的影响，应引起足够的重视。

（2）水泵设计难度很大。泵站在最高扬程、设计扬程和最小扬程条件下运行时均对供水流量有要求，泵站的最大过流能力受泵站后的明流输水隧洞过流能力的限制，水泵在低扬程下的流量特性还关系到输水建筑物的安全；单级水泵的最大扬程超过200m，从扬程与流量角度来分析，可供选择的比转速约为89m·m3/s或 107m·m3/s，水泵的比转速低，设计难度大。这就需要根据工程的实际边界条件，选择合适性能的水泵并予以验证其特性，并确定水泵采用调节的必要性及调节方式。

（3）水泵年利用小时数高，水流中含有泥沙。设计供水量下工作泵的年运行时间近7000h，年运行时间很长，且从水库中抽取的水流中含有泥沙（尤其是汛期），这将对水泵的性能和使用寿命产生影响。

（4）国内外可生产干河泵站水泵的制造厂家不多。从设计技术和经验、制造能力和业绩来看，目前单纯从事水泵制造的国内厂家几乎都不具备生产干河泵站机组的能力，具备生产干河泵站水泵能力的国外专业水泵生产厂家也只三四家。国内大型水电设备制造厂商拥有抽水蓄能可逆式水泵水轮机技术，但水泵在抗泥沙磨损、水力性能和结构上与水泵水轮机相差巨大，其水泵研制经验欠缺。

2 水泵科研

干河泵站与工程的成败及效益紧密相关。干河泵站的立轴单级离心式水泵运行扬程高、功率大，是我国轴功率最大的离心水泵，国际上没有类似比转速的水泵可供直接借鉴。为选择性能合适的水泵并予以验证其特性，确定水泵流量调节的必要性及调节方式，分析泥沙对水泵过流部件的影响，降低水泵设备的投资，因此开展了高扬程大流量水泵的特性及调节方式研究。

研究采用计算机流体动态分析（CFD）方法进行三维粘性流解析，分析特征工况下水泵内部的压力场、流态和速度矢量分布，开发新的目标水泵，预估水泵的综合性能，根据模型试验结果进行水力设计的整体优化，再次通过模型试验对优化设计的水泵进行性能验证，开发出了适合于干河泵站的 A1054离心泵。A1054水泵的模型特性曲线如图1所示。

根据水泵的模型试验成果、水泵选型设计和流量调节计算分析，研究成果如下：

（1）A1054模型的最优效率为91.57%，综合性能达到了国际领先水平。

（2）综合考虑水泵的水力设计、运行效率、空化性能、抗泥沙磨损能力、机组设备投资和泵站工程设计等因素，确定水泵的额定转速为600r/min。

图1 A1054离心泵模型特性曲线图（D2m=0.61m，nm=800r/min）

（3）按叶轮最小淹没深度27m考虑，水泵在设计扬程、最大扬程下的空化性能有足够裕量，但水泵在扬程低于200m下难以实现无空化运行。水泵在低扬程区间运行时应采用变频调速方式进行转速调节，以改善水泵在低扬程区间的空化性能，提高水泵运行效率、减轻振动和空蚀，还可大大提高供水运行的安全性和灵活性。

（4）水泵流量调节的下限不宜低于6m3/s，在低扬程区间水泵的流量调节上限可在 8.5～9.0m3/s之间，相应转速调节范围在0.89～1.03倍额定转速之间。A1054水泵采用变频调速运行时，7.0～8.0m3/s的工作流量区间为高效率区间（原型水泵运行效率不低于92%），水泵空化性能良好，运行时宜优先考虑。

3 水泵设计

干河泵站的大型立式单级单吸离心泵是我国自行独立研究、设计、制造的高扬程大功率水泵，在前期科研成果A1054水泵模型的基础上，哈尔滨电机厂有限责任公司在获得水泵生产合同后再次对水泵的水力设计和主要技术参数进行了部分优化，最终得到用于泵站的A1077水泵模型。

3.1 水泵主要参数

新投运水泵的主要参数见表1。

表1 干河泵站新投运水泵的主要参数表

3.2 水泵结构设计

（1）总体设计

水泵进水管、蜗壳座环均埋在混凝土中。水泵采用中拆结构，设有中间轴与电动机轴连接，水泵的可拆卸部件均可在水泵层拆装。水泵机坑内设直行吊车，可满足泵芯包（包括叶轮、泵轴、导轴承和主轴密封等部件）的整体拆装要求。

水泵总体结构如图2所示。

（2）埋设部件

水泵的引水部件均按承压部件设计。进水管设计压力为1.6MPa，采用Q235B钢板焊接而成，锥管段设有检修进人门。出水蜗壳按上部设置弹性层、单独承受最大内水压（含水锤压力）设计，设计压力不小于3.5MPa；蜗壳采用钢板Q345R焊接制成，钢板厚度留有不小于 5mm的磨损腐蚀余量，出口扩散段设有止推环。座环环板采用16Mn-Z25抗撕裂钢板，固定导叶材料采用Q345C。蜗壳与座环的焊接全部在厂内进行，运至工地现场后进行水压试验。

图2 干河泵站水泵总体结构设计图

（3）叶轮

叶轮为整体铸焊结构。上冠、下环采用抗空蚀、抗腐蚀和具有良好焊接性能的马氏体 00Cr16Ni5Mo不锈钢材料铸造而成。叶片数为 9个，采用0Cr16Ni5Mo不锈钢板模压成型后进行数控加工。叶轮进口直径Ф1024mm，出口直径为Ф2062mm。叶轮流道狭长、出口高度小，为满足焊接空间要求，设计时采取了一些特殊的焊接措施。叶轮设斜梳齿型止漏环。叶轮与主轴采用螺栓连接、摩擦传递扭矩的联接方式，以满足叶轮的互换性要求。为减小轴向水推力，在叶轮上腔梳齿后采取了减压排水措施，在顶盖上设有4个减压排水管。

（4）泵轴

水泵轴段由主轴及中间轴组成，均采用外法兰中空厚壁轴，整体锻造，材料为锻钢 20SiMn。主轴法兰外径φ720mm，轴身外径φ400 mm，内孔直径φ100 mm，长度2000 mm。中间轴法兰外径φ720mm，轴身外径φ400 mm，内孔直径φ100 mm，长度2600 mm。

主轴及中间轴具有足够的强度和刚度，能在包括最大反向飞逸转速在内的任何转速下运行而没有有害的振动和变形。

（5）顶盖、导轴承、主轴密封

水泵顶盖采用结构简单的厚平板制成。

导轴承能安全承受正常运行、泵组不加制动惯性滑行停机和泵组以最大反向飞逸转速惯性旋转直至停机（不加制动）过程中的全部径向负荷。导轴承固定在顶盖上，为稀油润滑、巴氏合金表面的分块瓦结构，共8块瓦。导轴承采用独立的自循环润滑系统，润滑油在主轴旋转作用下作自循环，油箱内设有内置冷却器。导轴承设有测瓦温、油温及油位等自动化监测元件。为防止油雾溢出，在油箱盖上设有油雾吸收装置。

在导轴承与顶盖之间主轴上设有主轴密封。工作密封采用多层径向密封、自补偿型结构，密封块为耐磨耐腐蚀的高分子材料，主轴对应位置设有不锈钢抗磨套；工作密封通有清洁压力水，对密封块进行润滑冷却，并可防止泥沙进入密封与抗磨套之间。工作密封下方设置有充气式围带结构的检修密封。

4 水泵过流部件的抗泥沙磨损防护

为防止高速含沙水流对水泵过流表面的磨损，对水泵过流部件采取了如下防护措施：

4.1 过流表面金属材料防护

金属材料防护采用高速火焰喷涂（HVOF）热熔碳化钨。碳化钨涂层由专业的厂家进行喷涂，涂层厚度约0.3mm，表面具有高硬度和高耐磨性。

叶轮在进、出水边和梳齿密封进行硬喷涂，根据施工作业能力喷涂面积范围尽可能大；固定导叶迎水面和头部圆角、座环上下环板过流面、基础环过流面亦采用硬喷涂。

4.2 过流表面非金属材料防护

对蜗壳内表面及固定导叶背面喷涂改性聚氨酯材料进行泥沙磨损防护。经反复多层喷涂，涂层厚度达到1mm左右。该涂层在喷砂后的金属表面附着能力较强，具有较强的抗泥沙冲刷能力。蜗壳内表面喷涂后的效果图如图3所示。

图3 蜗壳内表面软喷涂后实物图

5 结论

通过对干河泵站水泵开展的模型开发研究、选型计算、调速分析和泥沙磨损等一系列完整的创新性研究，开发出了适合干河泵站的大型中低比转速单吸单级立式离心泵，其设计优化思路和研究方法对水利行业大型水泵的研制具有重要指导意义。

干河泵站全部4台水泵机组已于2013年陆续投入运行，截止至2014年6月底已累计抽水2.3亿m3，水泵运行时的状态监测数据显示，各台水泵机组的入力、振动、瓦温等数据均满足设计要求。干河泵站大型中低比转速离心泵的开发成功，不仅降低了泵站运行成本，还显著降低了水泵设备的投资，并且大大促进了我国大型水泵的科研、设计、制造技术的发展和进步，标志着我国大型离心水泵的研发具有世界领先水平，对提高我国水泵行业的技术水平具有重要的意义。

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