高扬程大功率离心泵选型关键技术研究与实践

桂绍波　彭志远　陈笙

摘要：为了对含沙量高、颗粒硬度大的高扬程泵站水泵机组的水力性能、运行稳定性及其耐磨强度展开研究，在梳理

现阶段国内外大型高扬程大功率离心式水泵发展现状的基础上，统计分析了高扬程离心水泵的性能参数水平。基于分析结果，研究提出了提高水泵运行稳定性、抗泥沙磨损等关键技术难题的应对措施，并在引汉济渭工程的黄金峡泵站中进行了应用。研究成果可为类似高扬程泵站的工程设计提供参考和借鉴。

关键词：高扬程大功率离心泵; 泥沙磨损; 离心泵选型; 运行稳定性; 引汉济渭工程; 大型调水工程

中图法分类号： TV732.5

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.019

0引 言

大型调水工程已成为人类重新分配地球水资源、缓解局部缺水地区供需矛盾和保障国家经济发展的主要途径。目前世界已建、在建和拟建的大型跨流域调水工程达200多项，分布在20多个国家，其中，美国、加拿大、印度、俄罗斯、巴基斯坦等国家的总调水量占世界调水总量的80%以上。中国先后建设的引滦入津、引滦入唐、引黄济青、引黄入晋、引江济太、广东东深引水、南水北调、滇中引水（在建）、引汉济渭（在建）等工程，为缓解中国局部地区日益严重的水资源短缺、改善生态环境、促进经济发展和社会进步做出了重要贡献。现阶段中国的引调水工程，特别是南水北调东线工程，大多数泵站均采用低扬程、大流量的轴流泵或混流泵，而采用高扬程、大功率离心泵的泵站较少，如牛栏江-滇池补水工程、万家寨引水工程、南水北调惠南庄泵站等。其中，中国现阶段已建成的高扬程离心泵容量最大的泵站是牛栏江-滇池补水工程干河泵站，该泵站泵单机容量为22 500 kW，设计扬程为223.32 m，单泵设计流量为7.67 m3/s[1]。由长江勘测规划设计研究有限责任公司负责勘测设计的滇中引水工程和引汉济渭黄金峡工程等，均为大型高扬程、长距离引调水工程，其中，滇中引水工程石鼓水源泵站水泵的扬程、流量及装机规模等综合性指标及其设计制造难度，均超过了目前中国已建并投入运行的泵站以及国外类似泵站。

目前，中国已建的高扬程、大功率的大型泵站较少，可供借鉴的成功工程经验积累不多。因此，对于类似于滇中引水工程等含沙量高、颗粒硬度大的高扬程泵站，对其水泵机组的水力性能、运行的稳定性及其抗泥沙磨损措施等关键技术问题开展专项研究，显得非常必要。

1高扬程大功率离心泵组研究现状

1.1高扬程水泵发展现状

经初步统计，目前国内外已建、在建的部分泵站高扬程大型离心泵组主要参数如表1所列。

由表1可知：目前国外已建调水工程——美国埃德蒙顿供水泵站装设的水泵机组容量最大，为59 680 kW，采用4级叶轮结构型式，设计扬程为600 m，叶轮直径为1.219 m。美国的哈巴斯泵站装设了最大容量的单级、单吸离心式水泵电动机组，机组容量为44 760 kW，设计扬程为251 m，水泵叶轮直径为2.400 m。同时，从表1所列出的大型泵站水泵電动机组的制造厂家来看，大部分工程水泵均由国外水泵厂家生产制造。目前，单纯从事水泵制造的中国厂家与国外厂家在设计技术和经验、制造能力和业绩方面仍存在一定的差距[2]。中国的哈尔滨电机厂（哈电）、东方机电厂（东电）作为可逆式抽水蓄能机组技术引进的承接方，全面地引进了可逆式水泵水轮机、发电电动机的设计和制造技术，基本具备了生产大型高扬程水泵的能力。其中，哈电已在牛栏江滇池补水工程、中部引黄工程以及引汉济渭黄金峡水利枢纽等工程中积累了大量的大型高扬程离心泵的设计、制造经验。东电目前正在开展高扬程大功率离心泵的研发，但尚无投入运行的工程，正在开展设计的代表性工程为珠江三角洲水资源配置工程高新沙泵站。

1.2高扬程水泵参数水平

比转速是表征水泵水力参数水平和经济性的一项综合参数。若比转速选的较高，虽然能够减小机组尺寸和重量、降低成本、节约机组投资，但是也会因水流在叶轮内相对流速和圆周速度增加而引起水泵的空化、泥沙磨蚀和稳定性指标参数的降低[3]。中国对水泵比转速ns的定义如下：

ns=3.65×nQH3/4（1）

经初步统计，目前国内外在建和已建的离心式水泵和抽水蓄能电站水泵电动机组性能参数统计如图1所示。从图1的统计数据可以看出：大型立式离心泵的比转速与设计扬程呈反向关系，设计扬程在150 m以上时，水泵比转速都在100～150 m·m3/s左右。一般而言，对于年运行时间高、水中泥沙含量大的高扬程泵站，从水泵机组安全、稳定和长期运行的角度出发，水泵的比转速不宜过高。

2高扬程大功率离心泵选型关键技术

2.1水泵水力稳定性影响因素分析

影响水泵运行稳定性的水力影响因素主要包括以下几个方面[4-7]：

（1） 水力激振频率与部件的固有频率产生共振。通过对固定导叶、叶轮叶片的卡门涡频率、水泵关键过流部件的固有频率进行计算，可以避免上述情况。

（2） 水泵进入驼峰区以及水泵偏离设计工况而发生旋转失速和喘振。

（3） 水泵由于空化引起的不稳定运行[7]。

（4） 泵站厂房的固有频率与机组水力激振频率之间的共振。

2.1.1水泵无叶区动静干涉及避振分析

动静过流部件之间相互干涉产生的压力脉动，是诱发机组振动、机械噪声和疲劳破坏的主要原因之一，其脉动幅值有时可以达到与泵叶轮全压增值相同的数量级，从而对叶片载荷分布造成影响。对于高扬程大功率的蜗壳式离心泵，引起动静干涉非定常效应的原因主要来自于以下2个方面：

（1） 叶轮出口的流体具有“射流/尾迹”结构的非均匀速度分布特点，同时伴随着动叶尾迹等非定常漩涡脱落对蜗壳形成冲击作用。

（2） 叶片以一定的转频周期性地掠过蜗壳隔舌并与之发生相互作用[7-8]。

为使机组叶轮强度满足要求，同时又能降低叶轮出口、压水室内压力脉动值及厂房内的噪声水平，使其满足机组稳定运行及规程规范的要求，可采取如下措施消除影响。

（1） 水力激振频率与部件的固有频率产生共振。

无叶区的压力脉动幅值相对较大，频率相对较高，易引起顶盖、叶轮及叶片和固定导叶等相关部件以及厂房结构的动力响应。为避免共振，在优化无叶区压力脉动幅值的同时，需要重点考虑水力激振与结构响应的关系，包括确保激振频率与关键部件固有频率拥有足够的错频裕量（不小于10%）、规避共振风险。

（2） 避免卡门涡诱发的共振。

理论上讲，任何具有出水边厚度的绕流体都有卡门涡的产生。通常卡门涡频率较高，激振能量很小，只有当卡门涡的频率与绕流体固有频率一致或接近时，才会产生水力弹性共振，使机组产生振动、噪声。卡门涡的频率由下式计算[9-10]：

fvk=StWd

式中：

fvk为卡门涡频率，Hz;

St为Strouhal数;

W为出口相对流速，m/s;

d为出口边尾迹宽度，m。

对于水泵叶轮，St=0.20～0.23;对于固定导叶，St=0.304。计算叶轮和导叶卡门涡频率后，再与叶轮和导叶固有频率进行避振分析。

2.1.2离心泵旋转失速与驼峰裕度

如图2所示，驼峰裕度的定义是：靠近最大扬程点的第一个驼峰峰谷最低值与最大扬程的差值与最大扬程的比值，或者定义为靠近最大扬程点的第一个驼峰峰谷最低值与该驼峰点对应的管网扬程的差值与管网扬程的比值。

由于离心泵具有流道扩散度为正、叶片曲率大等问题，目前对于水泵旋转失速以及驼峰特性开展了相关研究。研究结果表明，水泵的驼峰特性以及旋转失速区域主要发生在50%～80%设计流量运行范围内。由于在小流量工况下水泵叶轮进口存在正冲角，在叶片背面发生流动分离，分离流动产生的回流、脱流形成的失速团有可能会堵塞部分流道，并且堵塞现象会随着叶轮旋转而发生周期性变化，从而导致水泵流量和扬程等外特性表现出波动现象而造成流量扬程曲线产生驼峰。目前已有的研究结果表明：水泵在驼峰区附近运行时，水泵内压力脉动幅值显著上升，且呈现低频高幅特征[8]。对于大型离心泵来说，严重的旋转失速可能会影响水泵机组的安全稳定运行。目前大型离心泵一般需通过模型试验来确定其驼峰区，以确保驼峰区的最低扬程相对于水泵最高扬程有足够的裕度，使水泵规定的运行扬程范围避开驼峰区。依据国家标准GBT 22581-2008《混流式水泵水轮机基本技术条件》，要求在电网正常频率波动变化范围内，水泵驼峰区的最高驼峰裕度不小于2%。从国内外已投运的水泵运行情况来看，一般2%的驼峰余量已能保证水泵高扬程工况的运行稳定性。

2.1.3离心泵空化余量安全系数

在高扬程、小流量区域，叶片的背面容易产生空化;在低扬程、大流量区域，叶片的正面容易产生空化，如图3所示。合理的安装高程是降低水泵因空化而诱发不稳定的一个重要参数[11-14]。在含泥沙量大的水流中，空蚀磨损联合作用加剧了空蚀的发生，因此在确定安装高程时，应该按照含沙量的大小予以修正，以增大泵站装置的空蚀余量。

一般而言，水泵空化余量的安全系数通常取值为1.3～1.5。对于泥沙含量较大、颗粒硬度较高的泵站，空化余量的安全系数K取值建议宜选在1.5～1.8 之间。目前国内已经投运的几个泥沙含量较高的大型泵站，其空蚀余量的安全系数K的取值情况如下：

（1） 对于万家寨引黄工程GM1/2、SM1/2泵站，根據该工程的实际运行情况，其中5 座泵站尽可能创造条件使K值分别在1.4～2.0 之间，即使在最不利工况下也保证K值在1.4 以上，为减小水泵过流部件的磨蚀提供了一定的保证。

（2） 对于万家寨引黄入晋北干线平鲁地下泵站而言，考虑到水泵机组扬程变化较大，以及泥沙磨蚀的影响，为保证水泵机组能够无空化运行，将其空蚀余量的安全系数K取为1.8[15]。

（3） 对于牛栏江干河泵站来说，考虑到水泵机组扬程高、且扬程变幅较大、年运行时间长等特点，从减轻水泵的泥沙磨蚀和延长水泵的使用寿命的角度考虑，水泵安装高程应按照在清水条件下运行时水泵不发生空化的原则来确定，要求装置空化余量与初生空化余量的安全系数不小于1.1。同时，装置空化余量与临界空化余量的安全系数K以不小于1.4来复核。

（4） 对于滇中引水工程石鼓水源泵站，考虑到试验存在误差、水泵制造偏差以及安装高程应该适当留有裕度的原则，建议装置空化余量与初生空化余量的安全系数不小于1.1。同时，装置空化余量与临界空化余量的安全系数K以不小于1.65来复核。

2.2关键过流部件抗泥沙磨损措施研究

针对水质含沙量大而引发的泥沙磨损问题，对水泵、叶轮、座环、蜗壳等关键过流部件的水力参数设计、结构设计、母材选择及其防护措施上都应进行详细考虑。除了满足泵站现有条件下水泵不产生空化和空蚀破坏外，还需要结合泥沙磨损喷涂技术、抗泥沙磨损材料以及合理确定水泵的性能参数及安装高程等，积极避免由泥沙磨蚀造成的破坏，以提高水泵部件和设备的使用寿命。

2.2.1合理选择水泵技术参数

对于多泥沙泵站工程，为了提高水泵的抗沙粒磨损性能，可通过综合对比不同转速方案的水泵综合性能指标，来平衡能量特性、空化与泥沙磨损之间的关系，选择合理的水泵性能参数。

（1） 合理选择水泵转速。图1给出了离心泵扬程与比转速之间的统计关系，在清水条件下建议可以按照图1给出的统计关系来确定水泵比转速和转速。但对于泥沙含量较高、存在泥沙磨损风险的水泵机组，则需要在对图1中统计曲线所推荐的转速与降低一档转速2种方案下的机电设备和土建投资、机组大修周期及其运维费用进行比较评估的基础上，再来研究确定是否有必要选取较低转速方案。

（2） 水力设计及关键部位流速控制。在水泵水力设计过程中，考虑到多泥沙的来流条件，利用CFD分析如何使流道的压力和速度分布尽可能均匀，以避免流道发生急剧的变化，控制叶片曲率在较小的范围内变化，为此进行了综合性翼型优化设计。设计遵循的原则是：水泵流道内部的流速不宜过高，速度分布应均匀，避免出现局部区域流速过高。基于目前中国国内典型高泥沙含量泵站工程防泥沙磨损措施的成功经验，建议水泵叶轮出口相对流速宜按不超过35 m/s予以控制。

（3） 空化安全系数的选取。

根据大量已有的泥沙与空蚀关系的试验研究成果，在其他工况相同时，含沙水流的空蚀强度是清水汽蚀强度的4～16倍。例如山西省娘子关供水工程使用的黄河1号泵，在抽送清水时的大修周期达10 000 h，而该泵在抽送多泥沙水时的大修周期却不足1 000 h。因此，在含沙河流上的泵站工程应要求有较大的安装高程余量，以弥补或减轻由磨损和空蚀共同造成的负面影响。如前文所述，对于泥沙含量较大、颗粒硬度较高的泵站，空化余量的安全系数K取值建议宜选在1.5～1.8之间。

2.2.2水泵关键过流部件抗磨涂层选择

常见的水泵关键过流部件喷涂工艺措施包括：超音速火焰硬喷涂（HVOF），或燃烧高速燃气喷涂（HVAF）等硬喷涂和改性聚氨酯软喷涂。其中，硬喷涂的部位应包括座环（含固定导叶）、叶轮、叶轮进口密封止漏环和顶盖密封止漏环等，软喷涂的部位应包括吸水管锥管段、蜗壳等。

2.2.3采用最佳的叶轮叶片制造方式

叶片选用材质好，制造工艺水平高等措施可以大大降低空蚀强度，延长使用寿命。水泵叶轮叶片加工有“叶片模压热弯成型+数控加工”和“VOD或AOD精铸成型+数控加工”2种方式[16-18]。综合比较2种叶片加工工艺对叶片性能的影响，模压叶片型线的精度高，经过高温压型后，材质性能优于铸造叶片，且耐磨损、抗空化性能均得到提高。一般而言，5 m以上的大型混流式转轮叶片采用铸造叶片和数控加工，而高水头混流式转轮及直径4 m以下的混流式转轮的叶片宜采用模压方法。尤其对于低比转速混流式水轮机、水泵叶片，由于叶片流道狭长，叶片出口高度低且叶片直径相对较大，当其在高泥沙含量和硬质颗粒的含沙水流中运行时，为了减小泥沙磨损，对叶轮叶片优先考虑采用热模压加工，并采用五轴联动数控加工技术，即能够很好地保证叶片型面精度，这也是目前最受推崇的叶片加工方法，如图4所示。

3关键技术在典型工程中的应用

目前，长江勘测规划设计研究有限责任公司负责勘察设计的大型引调水工程中的高扬程大功率离心泵泵站主要包括滇中引水工程和黄金峡水利枢纽工程。其中，黄金峡水利枢纽位于汉江干流上游峡谷段，地处陕西南部汉中盆地以东的洋县境内，是引汉济渭调水工程的主要组成部分和水源之一，也是汉江上游干流河段规划中的第一个开发梯级，坝址下游55 km处为石泉水电站。该工程的建设任务是以供水为主，兼顾发电，改善水运条件[18-20]。

引汉济渭工程黄金峡泵站水泵及其附属设备的采购合同于2019年1月25～27日签订。黄金峡泵站7台高扬程水泵及其附属设备均由哈尔滨电机厂有限责任公司负责供货。2019年6月完成了哈尔滨电机厂有限责任公司工厂初步模型试验验收;2019年11月完成了瑞士洛桑国际中立试验台最终模型验收。洛桑试验台是国际公认的中立性模型验收试验台。模型验收试验前，对测量的主要参数水头、流量、尾水压力（进水管压力）和力矩等传感器均进行了原位标定，验收人员对主要传感器的标定结果进行了校核，并对试验台的原级检定证书进行了检查。标定结果表明，传感器的精度满足要求，最终水泵模型验收试验水泵效率的综合不确定度为±0.237%。

3.1黄金峡泵站水泵参数

黄金峡泵站水泵基本动能参数及结构形式如表2所列，水泵总体结构设计图如图5所示。

3.2水泵稳定性参数

如前所述，影响高扬程大功率离心式水泵运行稳定性的因素主要有：水力激振频率与部件固有频率错频至少10%以上、驼峰裕度大于2%以及空化余量安全系数足够等。

（1） 驼峰裕度。

黄金峡泵站水泵流量-扬程曲线驼峰区裕度在国际中立试验台完成了验收试验，结果如表3所列。

（2） 压力脉动。

黄金峡泵站水泵在进水管、无叶区以及蜗壳出口等部位的压力脉动混频峰峰值在国际中立试验台完成了验收试验，结果如表4所列。由表4可以看出，黄金峡泵站水泵压力脉动混频峰峰值试验结果相对较低，可以满足规范和合同要求。

（3） 水力激振频率与部件固有頻率避振。

应用 ANSYS 有限元软件，建立了整个叶轮动态特性计算分析模型，该模型包含有整个叶轮及其周围水体;同时，模型中考虑了密封间隙、顶盖水腔和底环水腔等。在叶轮与水体交界面定义为流固耦合面，水体外表面不施加边界条件，默认为固定壁面;约束叶轮与主轴连接螺栓位置节点全部自由度。

黄金峡泵站水泵叶轮整体固有频率计算结果如表5所列。从表5中数据可知：叶轮固有频率避开了激振频率，避开范围大于10%，不会发生共振。

黄金峡泵站水泵叶轮叶片固有频率计算结果如表6所列。从表6中数据可知：叶轮叶片第1阶、第2阶固有频率均避开了卡门涡激振频率，避开范围大于10%，因此不会发生共振。

（4） 空化性能。

水泵初生空化余量NPSHi定义为2个叶轮叶片表面产生的稳定附着型气泡所对应的水泵空化余量，水泵临界空化NPSH1.0%定义为水泵效率下降1%时对应的水泵空化余量。瑞士洛桑国际中立试验台模型试验验收结果表明：在水泵正常运行范围内，装置空化NPSHP与临界空化NPSH1.0%的比值范围为3.70～4.07，装置空化NPSHP与初生空化NPSHi的比值范围为2.37～2.88，因此黄金峡泵站水泵空化性能优良，满足空化余量安全系数NPSHP/NPSHi≥1.2，NPSHP/ NPSH1.0%≥1.65的目标要求，可保证黄金峡泵站水泵机组在所有扬程范围内实现无空化运行。

3.3防泥沙磨损措施

3.3.1水泵关键过流部件防护涂层

为防止高速含沙水流对黄金峡泵站水泵关键过流部件表面造成磨损，对黄金峡泵站水泵过流部件采取了如下涂层防护措施。

（1） 叶轮在进、出水边和密封口环进行硬喷涂。根据施工作业能力，叶轮进、出水边的喷涂面积范围尽可能大。硬喷涂采用高速火焰喷涂（HVOF）热熔碳化钨，由专业的厂家来喷涂，涂层厚度约为0.3 mm。

（2） 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。

（3） 蜗壳内表面及固定导叶背面喷涂改性聚氨酯材料。经反复多层喷涂，涂层厚度达到1.0 mm左右。

3.3.2水泵关键部位流速控制

表7给出了黄金峡泵站水泵各关键部位的最大流速值。由表7可以看出，叶轮通道内最大相对速度可以控制在29 m/s，叶轮出口、导叶进口的流速最高为27 m/s。因此，水泵各部分的最高相对速度均可满足多泥沙水泵抗泥沙磨损设计准则，过流部件特征相对流速均不超过35 m/s。

3.3.3关键过流部件材料及加工方式选择

黄金峡泵站水泵叶轮采用ZG00Cr16Ni5Mo不锈钢，前盖板和后盖板采用VOD精炼，具有高强度和高硬度（HB260以上）以及优良的抗汽蚀和冲蚀性能[21]。叶片采用钢板热弯模压成型和五轴联动数控机床加工，确保叶片达到精准的流道控制尺寸。

4结论与展望

本文紧密围绕高扬程、大功率离心水泵选型关键技术问题展开了分析。总结了水泵水力设计及性能参数分析、抗泥沙磨损措施、提高水泵稳定性等各个环节关键技术控制要点，并将其在引汉济渭黄金峡泵站中加以推广应用。工程实践表明：

（1） 黄金峡泵站水泵模型性能参数在中国和国际中立试验台验收均达到了预期目标要求，研究成果为保证引汉济渭工程黄金峡泵站机组参数水平和结构形式的先进性及运行的可靠性提供了坚实的技术支撑。

（2） 为中国120 m扬程段的高扬程大功率水泵参数水平的合理确定提供了理论依据，同时也提高了中国大型离心泵的设计水平。

（3） 本文研究成果具有良好的工程使用价值和推广应用前景，可以对类似规模的高扬程大功率引调水泵站工程的设计和运行提供技术依据和参考。

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（编辑：赵秋云）