袁江霞 史玉潔 王 昕

(1.山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030001；2.山西中部引黃水務(wù)開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030001)

1 引 言

中部引黃工程自天橋水電站庫(kù)區(qū)取水，取水口位于天橋水電站左壩頭上游380m處，取水泵站為地下泵站，布置七臺(tái)機(jī)組，一期安裝兩臺(tái)立式、單吸、單級(jí)蝸殼式離心泵，設(shè)計(jì)流量6.6m3/s，額定轉(zhuǎn)速600r/min，設(shè)計(jì)揚(yáng)程200m，屬高揚(yáng)程大容量泵組。

天橋水庫(kù)基本為徑流式水庫(kù)，年均泥沙含量為4.16kg/m3，高含沙量水體對(duì)水泵的空蝕性能和抗泥沙磨蝕能力提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)類似規(guī)模的大型泵站只有云南牛欄江滇池補(bǔ)水工程干河泵站[1]。因此，對(duì)本工程高揚(yáng)程、大容量立式單吸單級(jí)蝸殼式離心泵抗泥沙磨蝕措施進(jìn)行深入研究非常必要。

2 過(guò)機(jī)泥沙基本情況

本工程來(lái)水泥沙以義門(mén)水文站多年平均顆粒級(jí)配曲線為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 河曲、義門(mén)水文站泥沙顆粒級(jí)配

根據(jù)取水口處的泥沙顆粒級(jí)配，按沉沙池可以沉降80%的粗泥沙(粒徑大于0.05mm)考慮。即可以沉降33.36%的取水口泥沙含量，從而過(guò)機(jī)含沙量為取水口含沙量的66.64%。以此比例對(duì)取水口處的含沙量進(jìn)行折算，可得1989年過(guò)機(jī)泥沙逐日含沙量，見(jiàn)表2，過(guò)機(jī)泥沙年均含沙量為2.76kg/m3，其中含沙量大于5kg/m3的天數(shù)為20天。水泵設(shè)計(jì)過(guò)機(jī)泥沙含量5kg/m3。

表2 過(guò)機(jī)泥沙顆粒級(jí)配

3 抗泥沙磨蝕措施

一期水泵流量大、揚(yáng)程高、功率大、泥沙含量高，效率要求達(dá)到91.5%，且要求自投入運(yùn)行之日算起，在額定轉(zhuǎn)速下累計(jì)運(yùn)行8000h為磨蝕保證期。高含沙水泵要安全穩(wěn)定運(yùn)行，水泵通流部件的抗泥沙磨蝕損壞能力是關(guān)鍵，本工程從水泵水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、加工制造，以及附加抗泥沙磨蝕保護(hù)涂層等方面采取綜合措施。

3.1 優(yōu)化水泵水力設(shè)計(jì)

比轉(zhuǎn)速是反映機(jī)組的參數(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)綜合參數(shù)。比轉(zhuǎn)速的提高受許多因素制約，如效率水平、空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性等。

圖1給出了水泵比轉(zhuǎn)速隨設(shè)計(jì)揚(yáng)程變化的關(guān)系,是對(duì)國(guó)內(nèi)外幾十座抽水蓄能電站和國(guó)內(nèi)外大型離心式泵站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)離心式泵站的水泵比轉(zhuǎn)速選取有一定的指導(dǎo)意義。由圖1可知，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程為200m的水泵，其設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速應(yīng)該在30左右。

圖1 離心泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程與比轉(zhuǎn)速關(guān)系統(tǒng)計(jì)曲線

中部引黃泵站可選的額定轉(zhuǎn)速為750r/min、600r/min、 500r/min，但由于本泵站水中含有泥沙，水泵年利用小時(shí)數(shù)較高，為減少泥沙磨損，不宜選用過(guò)高的轉(zhuǎn)速。在額定轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，由于水泵進(jìn)出口直徑比較大、流道較長(zhǎng)，水泵效率較低，且由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，相應(yīng)的重量較重，不推薦選用。額定轉(zhuǎn)速600r/min適合該泵站具體情況。

水泵在無(wú)空化條件下運(yùn)行，裝置空化系數(shù)和初生空化系數(shù)很關(guān)鍵，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)[2]，兩者比值K在1.1以上，水泵空蝕和磨損可得到有效控制。

根據(jù)中部引黃一期水泵模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，最大揚(yáng)程為201m，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，對(duì)應(yīng)的模型轉(zhuǎn)輪臨界空化系數(shù)為0.04～0.048，模型轉(zhuǎn)輪的初生空化系數(shù)為0.08～0.122，對(duì)應(yīng)的裝置空化系數(shù)應(yīng)大于0.138～0.156。最小揚(yáng)程為195.8m，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，對(duì)應(yīng)的模型轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)為0.051～0.067，模型轉(zhuǎn)輪的初生空化系數(shù)為0.08～0.14，對(duì)應(yīng)的裝置空化系數(shù)應(yīng)大于0.138～0.156。

在最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程下K值均在1.7左右，在安裝高程為808.5m時(shí)水泵的吸出高度為-18.6m，能保證泵站在無(wú)空化狀態(tài)下運(yùn)行。

圖2為設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況點(diǎn)葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼在Z=0時(shí)的平面壓力梯度分布和速度矢量分布。

圖2 壓力梯度分布和速度矢量分布

從圖2可以看出，設(shè)計(jì)工況下，壓力梯度分布均勻，流線分布合理。從解決局部磨蝕的角度考慮，優(yōu)化水力設(shè)計(jì)參數(shù)，降低部件表面的速度和加速度，降低空化系數(shù)，可提高通流部件抗磨蝕能力。

3.2 抗泥沙磨損結(jié)構(gòu)

a.蝸殼采用明設(shè)布置，方便通流部件在磨損后進(jìn)行檢修。

b.頂蓋采用Q345C鋼板焊接結(jié)構(gòu)，保證具有足夠大的強(qiáng)度和剛度，使充水后變形上抬量較小，保證止漏環(huán)的間隙。頂蓋上裝設(shè)可更換的抗泥沙磨損的不銹鋼密封環(huán)、抗磨板。密封環(huán)、抗磨板表面進(jìn)行HVOF硬涂。防止含沙水流旋轉(zhuǎn)造成局部磨損。

c.主軸整體鍛造，保證其在任何轉(zhuǎn)速下均能安全運(yùn)轉(zhuǎn)且無(wú)任何有害的振動(dòng)和變形，從而減小由于轉(zhuǎn)輪擺動(dòng)過(guò)大引起的加速度變化、泥沙磨損加劇情況。

d.頂蓋和座環(huán)設(shè)置可更換的固定止漏環(huán)，對(duì)止漏環(huán)的型式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以最大程度采用減少泥沙進(jìn)入間隙。

e.由于泥沙含量高將導(dǎo)致通流部件及葉輪的磨損，為便于水泵通流部件檢修和維護(hù)，水泵采用“中拆”方案，即先拆卸中間軸，然后將葉輪芯包(包括葉輪、主軸、導(dǎo)軸承、主軸密封、頂蓋等)從水泵層吊起，利用機(jī)坑電動(dòng)葫蘆水平移出至水泵進(jìn)水側(cè)球閥吊物孔下方，再利用廠房橋式起重機(jī)從吊物孔吊出(或吊入)至葉輪芯包檢修支架及平臺(tái)進(jìn)行修理和維護(hù)。

3.3 選用較優(yōu)的耐磨蝕材料

蝸殼、座環(huán)及固定導(dǎo)葉和底環(huán)均選用耐泥沙磨損、可常溫焊接的、可焊性好的不銹鋼板制造。此外，蝸殼及泵殼的壁厚在設(shè)計(jì)規(guī)范基礎(chǔ)上增加5mm抗泥沙磨蝕余量；座環(huán)內(nèi)上下過(guò)流表面和固定導(dǎo)葉過(guò)流表面(特別進(jìn)口部位)設(shè)置抗磨涂層保護(hù)，涂層采用HVOF硬涂層；底環(huán)內(nèi)表面敷設(shè)不銹鋼抗磨板。

葉輪為整體鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)及葉片采用抗空蝕、抗腐蝕和具有良好焊接性能的不銹鋼材料鑄造。在止漏環(huán)材料方面，選用適合于多泥沙電站和泵站的止漏環(huán)材料。

3.4 采用最佳的制造方式

由泵站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，葉片制造缺陷對(duì)水泵空蝕破壞有加速作用，因此選擇最優(yōu)制造方式、高精度加工工藝，可以大大降低空蝕強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。

3.4.1 制造方式

制造方式對(duì)葉片耐磨蝕性能有較大影響。轉(zhuǎn)輪可選擇砂型鑄造、鋼板熱彎成型、電渣熔鑄熱彎成型等。其中，砂型鑄造葉片是傳統(tǒng)方法，若不采用精煉爐冶煉，鋼水中夾雜較多，鑄件缺陷難以避免，直接影響葉片的機(jī)械性能和抗磨蝕性能，通常采用VOD或AOD精煉爐冶煉；電渣熔鑄板坯經(jīng)電渣精煉后，鋼水純凈度高，晶粒細(xì)小，并減少了鑄造缺陷，材料利用率也較高；鋼板是精煉爐冶煉后軋制成的，不但雜質(zhì)少，而且組織致密，表面質(zhì)量好，但鋼板利用率低。本工程采用VOD精煉爐冶煉毛坯。

3.4.2 加工工藝

葉片在鑄造成型后數(shù)控加工，以提高質(zhì)量和精度。數(shù)控加工要求型線偏差和尺寸精度等都高于IEC60193的要求，型線偏差控制在±0.8mm以內(nèi)。同時(shí)加工工藝要求保證葉片表面的光潔度，葉片進(jìn)水邊和出水邊的粗糙度達(dá)到3.2μm，葉片其他部分的粗糙度達(dá)到6.4μm以下。

3.5 采用高效的強(qiáng)化措施

流道及過(guò)流部件采用抗泥沙磨損涂層，其中葉輪、密封環(huán)、座環(huán)部分固定導(dǎo)葉及過(guò)流面等采用HVOF硬涂層，進(jìn)水管及進(jìn)水肘管、座環(huán)、底環(huán)、蝸殼、蝸殼延伸管、蝸殼出水延伸管等其他部件過(guò)流面采用軟涂層。

3.5.1 葉輪外緣線速度分析

葉輪外緣線速度按下式計(jì)算：

式中u——線速度，m/s；

D2——葉輪出口直徑，m；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

代入數(shù)據(jù)得

根據(jù)已有引黃泵站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[3]，對(duì)于抽黃河水的水泵，葉輪外緣線速度一般要求小于45m/s，當(dāng)大于45m/s時(shí)，需要采取有效的抗磨蝕措施。

3.5.2 泵內(nèi)速度場(chǎng)分析

圖3為中部引黃工程地下泵站一期單級(jí)單吸離心泵的速度場(chǎng)分析成果。

從圖3可以看出：葉輪內(nèi)部部分區(qū)域及導(dǎo)葉和蝸殼的部分區(qū)域，水流速度超過(guò)31m/s。根據(jù)已有引黃泵站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[4]，對(duì)于抽黃河水的水泵，相對(duì)速度大于31m/s的部分，只要是噴涂工藝能噴到的部位都應(yīng)噴涂。

圖3 一期單級(jí)單吸離心泵內(nèi)速度場(chǎng)仿真成果

3.5.3 噴涂工藝

對(duì)葉輪、密封環(huán)、導(dǎo)葉采用HVOF技術(shù)噴涂碳化鎢硬涂層。該技術(shù)把噴涂材料的粉末噴入高速噴射的火焰，形成少孔隙、低氧化、高黏合力、低殘余應(yīng)力的高質(zhì)量涂層。高速運(yùn)動(dòng)的顆粒與基材表面結(jié)合的特點(diǎn)是[5]：基材表面溫度低于150℃，基材不發(fā)生任何變形，有很高的表面硬度，其耐空蝕性能為不銹鋼的1.55倍，抗泥沙磨損性能是不銹鋼的91.5倍。中部引黃工程屬于中高揚(yáng)程本站，泵輪葉片磨損破壞較嚴(yán)重，對(duì)泵輪葉片進(jìn)出水邊正背面100～200mm、泵輪進(jìn)出水口100～150mm寬環(huán)帶、出口外圓面、梳齒密封面等流速較高的部件表面噴涂碳化鎢硬涂層。對(duì)蝸殼、座環(huán)、進(jìn)水管(含進(jìn)水肘管)、出水管等低流速區(qū)噴涂聚氨酯涂層。

4 結(jié) 論

針對(duì)中部引黃工程地下泵站水泵流量大、揚(yáng)程高、功率大、泥沙含量高的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水泵參數(shù)優(yōu)化，選用耐磨材料和最佳工藝并采用強(qiáng)化措施是防護(hù)水泵磨損的有效措施，可對(duì)水泵進(jìn)行有效防護(hù)，提高水泵運(yùn)行壽命。