黄河小北干流水泵选型要点探讨

孙耀民

(运城市尊村引黄灌溉服务中心，运城 044000)

0 引 言

水泵是泵站的主要机器设备，其选型至关重要，尤其是水泵转速、叶片数量、叶轮材质、口环型式、泵体重量等合理与否直接关系到泵站能否安全可靠运行，并关系到工程效益、供排水能耗及成本等。通常情况下，水泵选型要满足泵站设计流量、不同时期排水要求等，尽可能按照水泵高效区范围，实际运行工作点位于高效区，并接近水泵最优运行工作点[1-4]。但在选型中对于水泵运行环境考虑较少，特别是黄河小北干流河段，水源中泥沙含量高、硬度高，而且柴草多，且变化异常，导致水泵磨蚀和堵塞严重，从而严重影响水泵的使用寿命及效率，文章根据黄河小北干流多泥沙泵站运行实际情况，从水泵转速、叶片数量、叶轮材质、口环型式、泵体重量等方面分析探讨了减缓或避免离心泵泥沙磨蚀问题。

1 水泵选型对转速的要求

1.1 尽可能降低水泵转速

由于黄河水质泥沙含量较大，以龙门水文控制站测量结果为例，年均26.2kg/m3，汛期高达98.6kg/m3，泥沙中90%以上的成分是硬度高、颗粒细的石英和长石，对水泵过流部件磨损严重[5-7]。《泵站技术管理规程》(GB/T 30948—2014)规定主水泵检修周期为3-5a或运行2500-15000h，含沙水质适当提前。黄河流域上某多泥沙泵站，在改造前，离心泵运行3000h叶轮磨损严重，就需要大修更换叶轮及口环等部件，大大增加了运行成本和维护工作量。

当水泵转速较高时运行效率高，耗能降低，但弊端是水力效率降低，磨损严重，水泵使用寿命缩短，设备检修费用增大，泵站的整体效益受损。高转速运行节约的电费，远低于泵站寿命和效益损失值[8]。

SN800型离心泵性能参数，见表1。

表1 SN800型离心泵性能参数

由表1可以看出，低转速水泵与高转速水泵相比，允许汽蚀余量较小，抗汽蚀性能好，过流部件磨损程度相对减小。因此，对于多泥沙泵站而言，降低转速可以减少磨损，提高使用寿命。另外，由表1可知，相同性能参数条件下，低转速泵的比转数更小。一般地说，低比转数泵高效区范围更宽，低转速泵的高效区范围宽泛，更加适合扬程变化较大的泵站[9-10]。

600S型离心泵性能参数，见表2。

表2 600S型离心泵性能参数

由表2对比看出，水泵转速降低后，流量、扬程等性能参数无法满足要求，可以通过增加水泵级数来弥补，即600S75J型采用两级叶轮可满足泵站流量和扬程要求。

1.2 降低转速的途径

1.2.1 增大叶轮直径

v2=2gH

(1)

(2)

式中：D2为叶轮外径；n为水泵转速；v为流速。

由式(1)可知，在扬程确定时，流速不变；根据式(2)可知，叶轮外径D2和转速n成反比。在扬程、流量不变的前提下，离心泵比转数(一般为60-180之间)在允许的范围内调整水泵转速与叶轮直径，因叶轮出口切线速度不变，增大叶轮直径可以有效降低转速[11-12]。

1.2.2 采用变频拖动

在变频拖动的水泵中，频率的高低决定了电机的转速，也就是水泵的转速。对于同一台水泵来说，当叶轮直径不变，改变转速时，其性能的变化规律如式(4)、(5)、(6)。

Q1/Q2=n1/n2

(4)

H1/H2=(n1/n2)2

(5)

P1/P2=(n1/n2)3

(6)

式中：Q1，H1，P1为转速n1时的流量、扬程和轴功率；Q2，H2，P2为转速n2时的流量、扬程和轴功率。

转速降低时，流量、扬程和轴功率均有不同程度减小，对轴功率影响成三次方正比。

对于长距离管道输水的泵站，特别是管道上连接灌溉支管时，采用变频拖动方式最为有利。管道中途分水，可降低水泵扬程，按照水泵性能曲线流量与轴功率关系可知，流量增大，轴功率增大；若采用变频降速的方式，根据式(6)，转速减小，轴功率减小，有利于节能降耗。

1.2.3 采用两级或多级叶轮

为了延长水泵使用寿命，多级泵的内部结构成为选型的一个重要制约因素。其中，泵站使用的多级泵一般分为3种：蜗壳式单吸单级泵、蜗壳式双吸多级泵、双进口蜗壳式多级泵。

蜗壳式单吸多级泵与蜗壳式双吸多级泵相比，有以下3点不同：①它们的叶轮结构形式不同，前者为单吸，后者为双吸；②轴向力平衡原理略有不同，前者为一个“背靠背”平衡方式，后者因是两个双吸叶轮，可看做两个“背靠背”平衡方式；③二者的汽蚀余量不同。当两台泵的比转数、转速、流量相同时，若前者气蚀余量为△&,则后者为0.63Ahro。即：蜗壳式双吸多级泵的气蚀性能优于蜗壳式单吸多级泵。值得注意的是，两种泵的内部结构形式是相同的，即隔板间的间隙泄流量都是流过一级叶轮的。

需要特别说明的是，设计工况运行时，水泵的轴向力为零。 制造商考虑到加工误差以及流态变化，“背靠背”或“面对面” 装设两盘角轴承。水泵在实际运行中，往往由于单边柴草堵塞而出现较大的轴向力。水泵改造时，若未考虑实际工况，往往会造成推力轴承因承载能力欠缺而损坏。此点应引起用户及制造商的高度重视。

2 从水泵设计结构要求

2.1 叶轮材质选择

水泵叶轮常用的金属材料有铸铁、铸钢和不锈钢等，从使用情况来看，铸铁和铸钢存在气孔、砂眼等铸造缺陷，使用中极易诱发汽蚀、漩涡等，抗磨蚀性能较差；不锈钢的抗汽蚀性能好，但它的抗磨损性能与普通碳钢相当，而且造价高，因此使用不锈钢制造叶轮不经济。对于多泥沙离心泵较多地是采用铸钢叶轮并涂敷耐磨防护层，铸钢材料一般选用20#-35#钢，防护涂层一般选用Ni60合金涂层，提高水泵叶轮表面的抗磨蚀性能，从而提高叶轮的使用寿命。某泵站SD900型离心泵铸钢叶轮涂敷Ni60耐磨层，使用寿命约9000h，其使用时间1倍于没有涂层铸钢叶轮。对于抽黄灌溉运行管理单位，采用一种具有较好抗磨蚀性能、效率高、使用寿命长、性价比好的叶轮是十分必要的。

2.2 叶轮制造工艺选择

以前离心泵叶轮基本采用铸造工艺，但目前钢板焊接叶轮的应用日趋增多，优势明显。采用低碳钢板成型叶片组焊接叶轮，俗称钢板焊接叶轮，主要是用钢板模压成形叶片和轮毂组焊叶轮，这种叶轮与原铸铁或铸钢叶轮相比的优势有以下几点[13]：①使用寿命长，因钢板具有组织细密、韧性好、不易脱落等优点，耐汽蚀和磨损优于铸铁和铸钢，相关试验表明，相同环境下，钢板焊接叶轮可达20000h，使用时间是球铁叶轮的2.5倍；②表面光洁度高，叶轮流道表面可以进行机械加工，提高了表面光洁度；③制造质量好，更好地符合设计要求；④磨损可修复，节约了运行成本和检修成本，钢板焊接叶轮造价与铸铁叶轮的成本比为1.3-1.4倍，但修复成本仅为造价的1/10，钢板焊接叶轮性价比更好。

2.3 叶片数量选择

叶片数量对水泵扬程、效率、汽蚀性能等都有一定影响，叶片数量多，介质的相对液流角接近叶片安放角，能够提高水泵扬程，运行稳定，噪音和振动小，但水泵通过杂物能力会下降，黄河小北干流河段，水源中泥沙含量高、柴草多，且变化异常，极易造成堵塞；叶片数量少，扬程略有降低，效率随之下降，使运行工况稳定性减弱，但噪音和振动相对加大。叶片数量与比转数及叶片包角之间存在一定关系，泵站所使用的离心泵比转数一般在60-180之间，叶片数为4-7片时水泵效率具有较大值，比转数小时选多叶片数，比转数大时选少叶片数。多泥沙离心泵比转数多数在90-150之间，宜选用6片，既能较好使水中杂质过流，又不会影响水泵的主要性能。黄河小北干流某泵站600S-47型水泵，新泵叶片数是7片，试运行为100h流量衰减，拆开泵盖后发现杂物将叶轮流道堵塞30%，清理后得以好转；叶轮叶片数更换为6片后，堵塞情况明显好转，各灌季均能满足运行。

2.4 口环型式选择

口环，又称减漏环、密封环、承摩环，其主要作用是防止水泵出口端介质倒流回进口端，起到密封作用；同时也起耐磨作用，避免叶轮和泵壳直接接触损坏，有保护叶轮和泵壳不受磨损的作用[14]。一般来讲，口环是易损件，在口环磨损后，可以修复或更换新环，恢复正常装配间隙，这样既经济又便于检修。

离心泵口环的结构形式按数量分为单密封环和双密封环。按密封环的结构形式分为环型密封环、L型密封环和阶梯型密封环等。根据黄河流域水泵的使用情况来看，多数水泵制造商采用的是清水泵模式和几何尺寸，主要是环型密封环。单密封环型式，见图1；双密封环型式，见图2。

图1 单密封环型式 图2 双密封环型式

从运行使用寿命来看，双密封环型式优于单密封环型式。

从型式上分析，环型口环比较适合多泥沙水泵：①机加工相对简单，有利于生产；②便于喷焊耐磨材料；③加长口环宽度可有效减少渗流量。

从材质上分析，口环材质一般有灰铸铁HT200、铸钢和不锈钢等材质，铸钢和不锈钢材质耐磨性较好。多泥沙水泵叶轮多数采用铸钢或不锈钢，若口环材质与叶轮材质耐磨性能相当，最终导致叶轮与口环同等程度磨损[15]，因此口环材质要根据口环型式不同区别选择。单密封环型式是利用一个口环与叶轮前盖板圆弧的延长部位相互配合达到密封效果，这种型式宜选用铸铁口环，水泵运行时，叶轮与口环间隙不足相互摩擦，口环被磨损，能够保证叶轮完好，只需更换口环。双密封环是在叶轮上镶装一个动环与另一个固定环相互配合达到密封效果，这种型式宜选用耐磨性好的铸钢或不锈钢材质，叶轮被固定环保护，不被磨损，动环和固定环磨损后成套更换，所以双密封环的耐磨性好、使用寿命长，可以延长检修周期[16]。

L型密封环、阶梯型密封环机加工难度较大，因表面难以喷焊Ni60不适用于泥沙环境。L型密封环，见图3；阶梯型密封环，见图4。

图3 L型密封环 图4 阶梯型密封环

综上分析，黄河多泥沙水泵宜选用双密封环型式，可提高口环耐磨性和密封性。主要有以下途径： ①口环采用铸钢、不锈钢等耐磨蚀性材料；②在动环外径和固定环内径的两个表面喷焊Ni60耐磨涂层；③提高固定环与泵壳间紧密程度，将口环180°凸台改为360°凸台，或是在固定环外径表面加装“O”型橡胶圈。

2.5 水泵重量选择

水泵的重量对于水泵的运行稳定和使用寿命有着重要影响。水泵自重大，能够有效克服运行时产生的振动，稳定性好；另外水泵泵体越厚，泵体承受泥沙冲刷磨损的余量越多，使用寿命也越长。但目前水泵采购招标中对水泵重量很少提出要求，水泵制造商为追求利润，减轻水泵重量，以节约成本，这对用户来说是不利的。

3 其他要求

离心泵的结构比较复杂，一般制造商采用铸造方法生产离心泵，钢(铁)水中杂质较多，铸件缺陷难以避免，抽黄水泵拟加强缺陷探伤测试，必须严格补强缺陷。

黄河上高扬程泵站拟选择合理的水泵结构形式，具体有3种泵型，其中单吸单级泵和单进口双吸多级离心泵的隔板两端压差较大，则级间隔板间隙泄流量较大，加上含有石英沙的泥沙作用，泄流量增加很快，引起轴向力失去平衡，轴承极易损坏，不适合抽提黄河水；双进口双吸多级离心泵的级间泄流量理论上很少，隔板两端压差也很小，个别因双进口的单边堵塞时出现级间泄流量加大，但是加上叶轮是“背靠背”对称布置，形成的轴向力偏差较小，

实践证明，蜗壳式单吸多级泵不适宜多泥沙泵站使用，蜗壳式双吸多级泵适应于多泥沙泵站使用。双进口双吸多级泵汽蚀性能相对较好，能够有效延长水泵使用寿命。

4 结 论

黄河小北干流上的水泵过流部件普遍存在严重磨损，为延长水泵使用寿命的方法，文章并从不同角度提出了一些措施，如优化水力设计，选用抗磨蚀性能好的材料，提高过流部件制造质量和表明光洁度等。从运行管理角度出发，结合实际运行效果，得出以下5点结论：

1)多泥沙水泵在保证流量、扬程的前提下，尽可能降低水泵转速，能有效减少水泵过流部件磨损和汽蚀。水泵降速运转可通过增大叶轮外径、变频拖动(管网加压泵站必须首选)、增加水泵级数等方式实现。

2)水泵叶轮材质多数采用铸钢并涂敷耐磨防护层，应用实践表明，钢板焊接叶轮也适合黄河多泥沙水泵工况，具有良好抗磨蚀性能、使用寿命长、性价比高等优点，可以进一步推广应用。

3)水泵叶片数一般取4-7片，但在多泥沙水质条件下，离心泵要考虑水质环境，兼顾叶轮通过杂物能力，一般选取6片较为适合。

4)多泥沙离心泵口环选用单密封环型式时，口环硬度要低于叶轮硬度，能更好地保护叶轮；选用双密封环型式，口环采用耐磨蚀性能好的材料，在口环表面喷焊Ni60耐磨涂层等，将延长使用寿命。

5)水泵重量不容忽视，要尽可能增大自重，保证运行的稳定性和有足够的磨蚀余量。