黄河小北干流段提水灌溉泵站水泵选型研究

郭红争

（运城市水利勘测设计研究院有限公司，山西 运城 044000）

1 黄河小北干流段的水沙特性

黄河小北干流地处黄河中游，上首起于晋陕峡谷的禹门口，下端止于风陵渡，全长132.5 km，为山西、陕西两省界河，首端山峻流急，中段垣高滩阔，末端受华岳所阻，折而向东，由湖盆演变而成，既是地堑河道，又是游荡性河道，还具有“揭河底”冲刷特征。由于水少沙多，水沙不协调，使河道萎缩、河床不断淤积抬高、滩槽高差减小，河势游荡加剧。

黄河小北干流的径流量大部分源自青海、甘肃，源远流长，且有龙羊峡、刘家峡、万家寨等大型水利枢纽的调节，水源可靠。境内已建的禹门口、北赵、夹马口、尊村、和大禹渡等引黄工程，已成为省境中部及西南部工农业生产、生活的主要水源，由于黄河小北干流段泥沙含量大，沿线引黄泵站水泵出现叶轮磨损快、使用寿命短、检修频繁等问题，为了解决这些问题，就要从理论上研究水泵的性能参数及相互关系。

2 水泵的性能参数及相互关系

水泵是一种能够进行能量转换的机械，它通过旋转的叶轮将机械能传给泵中的液体，使液体的能量增加，从而从低处提升到高处。一般常用的叶片泵是靠装有叶片的叶轮不停地旋转而进行能量转化的，根据液体流出叶轮时的方向不同可分为离心泵、轴流泵和混流泵三种。

2.1 水泵的能量方程式

假定将叶轮旋转机械能转化为水能的传递过程中能量无任何损失，其理想扬程可由下式计算：

式中：H理——水泵理想扬程，m；

u1、u2——水泵叶轮进口、出口处的圆周速度，m/s；

cu1、cu2——水泵叶轮进口、出口处的绝对速度，m/s；

D——叶轮直径，m；

n叶——叶轮转速，r/min。

由水泵的能量方程式说明：单位液重所获得的能量即扬程，与叶轮的直径和转速密切相关。叶轮越大，转速越高，扬程就越大。离心泵一般就是利用加大叶轮直径和提高转速而增大扬程的。

2.2 水泵的基本性能参数

水泵的性能通常由流量、扬程、功率、效率及转速几个不同的工作参数表示的。水泵的基本性能曲线是指水泵在恒定转速下，水泵扬程、功率及效率等工作参数随流量而变化的关系曲线。

对于离心泵，在恒定的转速下，扬程会随着流量的增大而减小，功率会随着流量的增大而加大，效率会随着流量的增大由低到高再到低。以单级双吸离心泵500S59 为例说明，详见表1。

表1 单级双吸离心泵500S59 性能参数

2.3 水泵的实际扬程和有效功率

2.3.1 水泵的实际扬程

实际扬程比理论扬程小，这是因为液体在流过泵的过流部分如叶轮、进出水管和泵壳等有各项水力损失。对于一般卧式离心泵，其额定扬程可采用下式估算：

式中：H——水泵额定扬程，m；

D——水泵叶轮外径，m；

n——水泵额定转速，r/min；

K——与水泵比转速有关的系数。

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——水泵额定流量，m3/s；

H——水泵额定扬程，m；

γ——液体的重度，N/m3。

理论公式和运行实践证实，水泵的额定扬程与水泵叶轮直径和转速有关，叶轮越大、转速越快，扬程就越高；水泵的有效功率与流量、扬程和液体的重度有关，流量越大、扬程越高，水泵的有效功率就越大。随着叶轮直径的磨损，水泵扬程自然也会得到降低。随着含沙量增大，液体比重值增大，水泵轴有效功率也必然增大。

2.4 水泵的相似特性

2.4.1 比例律

对于工况相似的水泵，其流量、扬程和功率与水泵的转速关系可通过相似律得到：

相似律公式说明，当水泵的转速改变时，水泵的流量、扬程和轴功率也随之改变，即流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。

2.4.2 比转速

比转速是水泵相似条件的一个判别数，它的大小是由叶轮本身形状所决定的，也是反映水泵几何特性和工作特性的综合参数。流量Q、扬程H及水泵转速n三个工作参数的关系式如下：

式中：ns——水泵比转数；

n——水泵额定转速，r/min；

Q——水泵额定流量，当叶轮为双吸时可取m3/s；

H——水泵额定扬程，对于多级泵可取为级数，m。

由比转速公式可知，在一定转速下，扬程H越大，流量Q就越小，比转速ns就越低，即高扬程小流量的离心泵比转速低。而低扬程大流量的轴流泵，其比转速就高。轴流泵扬程低、流量大，所以转速很大，其值在500～1 000 之间；离心泵扬程高、流量小，比转速就小，其值在40～300 之间；混流泵介于二者之间，其值在300～500 之间。

3 黄河小北干流段提水灌溉泵站水泵选型

从水泵的性能参数及相互关系看，水泵额定流量、扬程及功率与水泵叶轮直径和转速密切相关。黄河小北干流泥沙含量大，沿线引黄泵站水泵叶轮容易产生磨损且检修频繁，需要从水泵转速、叶轮结构和材质等方面进行优化。

3.1 水泵转速优化

3.1.1厂家对水泵转速的选择

对水泵生产厂家而言，目前国内外离心泵都趋向采用高转速，这是因为水泵高转速后效率会提高，且水泵体积会减小，重量会减轻，省工省料，最符合生产厂家获取最大经济效益的目标。同时，配套电机高转速化后，体积亦会相应减少，重量亦相应减轻，同样会实现省工省料。另外，随着电机转速升高，功率因数变大，工作电流变小，无功功率减少，热损耗降低，机组的装置效率也会得到提高。可以说，水泵高转速化有利于各方需求。

3.1.2 黄河流域泵站对转速的要求

黄河流域水源中泥沙含量较大，水泵在运行过程中的磨损成为水泵选型时的一项重要制约因素。

当水泵转速较高时，运行效率得到提高，但会对叶轮造成严重磨损，水泵的使用寿命缩短，设备购置费增大，泵站的整体效益受损。也就是说，高效率运行省出来的电费，远低于泵站的效益损失量，对用户极为不利。因而对黄河流域泵站而言，应采取多种措施，降低水泵转速。

3.1.3 黄河流域水泵转速的确定

考虑到水泵的运行效率，一般将比转数值控制在90～210 之间，否则运行效率会降低。当比转速ns、流量Q一定时，欲降低水泵转速n，只能降低扬程H。在泵站地形扬程确定的情况下，只能采用增加水泵级数的办法来降低H的矛盾。若从运行角度考虑，水泵级数越多，泵的结构越复杂，加工难度越大，制造成本越高。

黄河流域泵站运行实践说明：各水源泵站水泵转速以≤980 r/min 为宜，单级扬程以50～70 m 为宜，单级扬程过高时，水泵使用寿命会急剧缩减。以运城市大禹渡二级站、北赵谢村二级站及夹马口泉杜二级站水泵型号为例说明，详见表2。

表2 运城市沿黄泵站水泵的特性参数

3.2 黄河泵站水泵结构与材质

3.2.1 水泵结构优化

水利灌溉泵站常用叶片泵，叶片泵主要分为离心泵、混流泵及轴流泵。高扬程泵多采用离心泵，有蜗壳式单吸多级泵、蜗壳式双吸多级泵、双进口蜗壳式多级泵三种。

蜗壳式单吸多级泵与蜗壳式双吸多级泵比较：一是叶轮结构形式不同，前者为单吸，后者为双吸；二是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；三是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△hr，则后者为0.63△hr。也就是说，蜗壳式双吸多级泵的气蚀性能优于蜗壳式单吸多级泵，但这两种结构均不适宜多泥沙泵站使用，因为隔板两端压差较大，级间泄漏量大，容易引起轴向力失去平衡，轴承极易损坏。

双进口蜗壳式多级泵与上述两种多级泵比较：隔间泄漏量不流经叶轮的隔板，两端压差很小。若我们将双吸叶轮看作由两个单吸叶轮“背靠背”地并联工作，双进口蜗壳式多级泵实质为两台单吸多级泵组合而成，且为“背靠背”并联运行。由于结构对称，亦不会引起轴向力过多增加。实践证明此种结构较适应于多泥沙高扬程泵站。运城市大禹渡二级站、北赵谢村二级站及夹马口泉杜二级站都采用的是双进口蜗壳式多级泵。

3.2.2 水泵重量要求

水泵的总重量应包括水泵的基本重量与寿命重量两部分。基本重量是为保证水泵的安全运行的最小重量，当水泵总重量小于或等于此重量时，水泵失去使用价值。水泵的寿命重量为水泵安全运行期内的总磨损量，它的重量直接影响水泵的使用寿命。

对用户来讲，水泵的总重量越大越好；对水泵生产厂家而言，在保证安全运行的前提下越轻越好，存在成本与应用的矛盾。

3.2.3 水泵口环要求

口环又称减漏环、承磨环，可分为两种，一种装在叶轮上称作叶轮减漏环，俗称动环；一种装在叶轮进口处的泵壳上，称作水泵减漏环，俗称定环。多泥沙水泵口环采用泵体与叶轮分别镶装，它们相互配合且成对出现，当磨损到一定程度时，可以同时更换。

口环型式有L 型、环形、阶梯型三种，环形口环比较适宜多泥沙水泵，主要是因为环形口环加工相对简单，有利于厂家接受。为了延长口环使用寿命，动环外径、定环内径两个表面宜喷焊Ni60 耐磨金属。

3.2.4 水泵叶轮材质要求

水泵叶轮传统做法是砂型铸造，但钢（铁）水中杂质较多，铸件缺陷难以避免，直接影响铸件的机械性能，特别是耐磨性，在多泥沙泵站中不宜采用。

钢板焊接叶轮是采用Q235 钢板经过精炼炉冶炼后轧制而成，不但杂质少，而且组织致密，表面质量好。目前，黄河流域600 mm 口径以上水泵叶轮大多采用钢板焊接叶轮。焊接叶轮具有以下优点：易现场补焊维修；叶片出口部位喷焊Ni60，耐磨效果好；叶片与圆盘连接处改为不锈钢焊接，使用效果更好；光洁度好，可有效减少气蚀磨损。

4 结论

通过对黄河流域泵站出现的水泵叶轮磨损快、使用寿命短、检修频繁等一系列问题的深入研究，文章提出了降低水泵转速和优化水泵结构两项措施。理论和实践证明：黄河流域各水源泵站水泵转速以≤980 r/min 为宜，单级扬程以50～70 m 为宜；高扬程泵站宜采用双进口蜗壳式多级泵，其叶轮宜采用钢板焊接叶轮，口环型式宜采用环形且表面喷焊Ni60 耐磨金属。另外，为了保证水泵使用寿命，水泵重量应作为一项重要指标来考量。