黃河小北干流段提水灌溉泵站水泵選型研究

郭紅爭

（運城市水利勘測設計研究院有限公司，山西 運城 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口，下端止于風陵渡，全長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，使河道萎縮、河床不斷淤積抬高、灘槽高差減小，河勢游蕩加劇。

黃河小北干流的徑流量大部分源自青海、甘肅，源遠流長，且有龍羊峽、劉家峽、萬家寨等大型水利樞紐的調節(jié)，水源可靠。境內已建的禹門口、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、檢修頻繁等問題，為了解決這些問題，就要從理論上研究水泵的性能參數(shù)及相互關系。

2 水泵的性能參數(shù)及相互關系

水泵是一種能夠進行能量轉換的機械，它通過旋轉的葉輪將機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而進行能量轉化的，根據(jù)液體流出葉輪時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

假定將葉輪旋轉機械能轉化為水能的傳遞過程中能量無任何損失，其理想揚程可由下式計算：

式中：H理——水泵理想揚程，m；

u1、u2——水泵葉輪進口、出口處的圓周速度，m/s；

cu1、cu2——水泵葉輪進口、出口處的絕對速度，m/s；

D——葉輪直徑，m；

n葉——葉輪轉速，r/min。

由水泵的能量方程式說明：單位液重所獲得的能量即揚程，與葉輪的直徑和轉速密切相關。葉輪越大，轉速越高，揚程就越大。離心泵一般就是利用加大葉輪直徑和提高轉速而增大揚程的。

2.2 水泵的基本性能參數(shù)

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

對于離心泵，在恒定的轉速下，揚程會隨著流量的增大而減小，功率會隨著流量的增大而加大，效率會隨著流量的增大由低到高再到低。以單級雙吸離心泵500S59 為例說明，詳見表1。

表1 單級雙吸離心泵500S59 性能參數(shù)

2.3 水泵的實際揚程和有效功率

2.3.1 水泵的實際揚程

實際揚程比理論揚程小，這是因為液體在流過泵的過流部分如葉輪、進出水管和泵殼等有各項水力損失。對于一般臥式離心泵，其額定揚程可采用下式估算：

式中：H——水泵額定揚程，m；

D——水泵葉輪外徑，m；

n——水泵額定轉速，r/min；

K——與水泵比轉速有關的系數(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——水泵額定揚程，m；

γ——液體的重度，N/m3。

理論公式和運行實踐證實，水泵的額定揚程與水泵葉輪直徑和轉速有關，葉輪越大、轉速越快，揚程就越高；水泵的有效功率與流量、揚程和液體的重度有關，流量越大、揚程越高，水泵的有效功率就越大。隨著葉輪直徑的磨損，水泵揚程自然也會得到降低。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

對于工況相似的水泵，其流量、揚程和功率與水泵的轉速關系可通過相似律得到：

相似律公式說明，當水泵的轉速改變時，水泵的流量、揚程和軸功率也隨之改變，即流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。

2.4.2 比轉速

比轉速是水泵相似條件的一個判別數(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、揚程H及水泵轉速n三個工作參數(shù)的關系式如下：

式中：ns——水泵比轉數(shù)；

n——水泵額定轉速，r/min；

Q——水泵額定流量，當葉輪為雙吸時可取m3/s；

H——水泵額定揚程，對于多級泵可取為級數(shù)，m。

由比轉速公式可知，在一定轉速下，揚程H越大，流量Q就越小，比轉速ns就越低，即高揚程小流量的離心泵比轉速低。而低揚程大流量的軸流泵，其比轉速就高。軸流泵揚程低、流量大，所以轉速很大，其值在500～1 000 之間；離心泵揚程高、流量小，比轉速就小，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)及相互關系看，水泵額定流量、揚程及功率與水泵葉輪直徑和轉速密切相關。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，需要從水泵轉速、葉輪結構和材質等方面進行優(yōu)化。

3.1 水泵轉速優(yōu)化

3.1.1廠家對水泵轉速的選擇

對水泵生產(chǎn)廠家而言，目前國內外離心泵都趨向采用高轉速，這是因為水泵高轉速后效率會提高，且水泵體積會減小，重量會減輕，省工省料，最符合生產(chǎn)廠家獲取最大經(jīng)濟效益的目標。同時，配套電機高轉速化后，體積亦會相應減少，重量亦相應減輕，同樣會實現(xiàn)省工省料。另外，隨著電機轉速升高，功率因數(shù)變大，工作電流變小，無功功率減少，熱損耗降低，機組的裝置效率也會得到提高。可以說，水泵高轉速化有利于各方需求。

3.1.2 黃河流域泵站對轉速的要求

黃河流域水源中泥沙含量較大，水泵在運行過程中的磨損成為水泵選型時的一項重要制約因素。

當水泵轉速較高時，運行效率得到提高，但會對葉輪造成嚴重磨損，水泵的使用壽命縮短，設備購置費增大，泵站的整體效益受損。也就是說，高效率運行省出來的電費，遠低于泵站的效益損失量，對用戶極為不利。因而對黃河流域泵站而言，應采取多種措施，降低水泵轉速。

3.1.3 黃河流域水泵轉速的確定

考慮到水泵的運行效率，一般將比轉數(shù)值控制在90～210 之間，否則運行效率會降低。當比轉速ns、流量Q一定時，欲降低水泵轉速n，只能降低揚程H。在泵站地形揚程確定的情況下，只能采用增加水泵級數(shù)的辦法來降低H的矛盾。若從運行角度考慮，水泵級數(shù)越多，泵的結構越復雜，加工難度越大，制造成本越高。

黃河流域泵站運行實踐說明：各水源泵站水泵轉速以≤980 r/min 為宜，單級揚程以50～70 m 為宜，單級揚程過高時，水泵使用壽命會急劇縮減。以運城市大禹渡二級站、北趙謝村二級站及夾馬口泉杜二級站水泵型號為例說明，詳見表2。

表2 運城市沿黃泵站水泵的特性參數(shù)

3.2 黃河泵站水泵結構與材質

3.2.1 水泵結構優(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。高揚程泵多采用離心泵，有蝸殼式單吸多級泵、蝸殼式雙吸多級泵、雙進口蝸殼式多級泵三種。

蝸殼式單吸多級泵與蝸殼式雙吸多級泵比較：一是葉輪結構形式不同，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“背靠背”平衡方式，后者因是兩個雙吸葉輪，可看做兩個“背靠背”平衡方式；三是二者的汽蝕余量不同，當兩臺泵的比轉數(shù)、轉速、流量相同時，若前者氣蝕余量為△hr，則后者為0.63△hr。也就是說，蝸殼式雙吸多級泵的氣蝕性能優(yōu)于蝸殼式單吸多級泵，但這兩種結構均不適宜多泥沙泵站使用，因為隔板兩端壓差較大，級間泄漏量大，容易引起軸向力失去平衡，軸承極易損壞。

雙進口蝸殼式多級泵與上述兩種多級泵比較：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單吸葉輪“背靠背”地并聯(lián)工作，雙進口蝸殼式多級泵實質為兩臺單吸多級泵組合而成，且為“背靠背”并聯(lián)運行。由于結構對稱，亦不會引起軸向力過多增加。實踐證明此種結構較適應于多泥沙高揚程泵站。運城市大禹渡二級站、北趙謝村二級站及夾馬口泉杜二級站都采用的是雙進口蝸殼式多級泵。

3.2.2 水泵重量要求

水泵的總重量應包括水泵的基本重量與壽命重量兩部分?；局亓渴菫楸ＷC水泵的安全運行的最小重量，當水泵總重量小于或等于此重量時，水泵失去使用價值。水泵的壽命重量為水泵安全運行期內的總磨損量，它的重量直接影響水泵的使用壽命。

對用戶來講，水泵的總重量越大越好；對水泵生產(chǎn)廠家而言，在保證安全運行的前提下越輕越好，存在成本與應用的矛盾。

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)，俗稱動環(huán)；一種裝在葉輪進口處的泵殼上，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出現(xiàn)，當磨損到一定程度時，可以同時更換。

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，主要是因為環(huán)形口環(huán)加工相對簡單，有利于廠家接受。為了延長口環(huán)使用壽命，動環(huán)外徑、定環(huán)內徑兩個表面宜噴焊Ni60 耐磨金屬。

3.2.4 水泵葉輪材質要求

水泵葉輪傳統(tǒng)做法是砂型鑄造，但鋼（鐵）水中雜質較多，鑄件缺陷難以避免，直接影響鑄件的機械性能，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)過精煉爐冶煉后軋制而成，不但雜質少，而且組織致密，表面質量好。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：易現(xiàn)場補焊維修；葉片出口部位噴焊Ni60，耐磨效果好；葉片與圓盤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 結論

通過對黃河流域泵站出現(xiàn)的水泵葉輪磨損快、使用壽命短、檢修頻繁等一系列問題的深入研究，文章提出了降低水泵轉速和優(yōu)化水泵結構兩項措施。理論和實踐證明：黃河流域各水源泵站水泵轉速以≤980 r/min 為宜，單級揚程以50～70 m 為宜；高揚程泵站宜采用雙進口蝸殼式多級泵，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，水泵重量應作為一項重要指標來考量。