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，布置七臺機組，一期安裝兩臺立式、單吸、單級蝸殼式離心泵，設(shè)計流量6.6m3/s，額定轉(zhuǎn)速600r/min，設(shè)計揚程200m，屬高揚程大容量泵組。

天橋水庫基本為徑流式水庫，年均泥沙含量為4.16kg/m3，高含沙量水體對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，國內(nèi)類似規(guī)模的大型泵站只有云南牛欄江滇池補水工程干河泵站[1]。因此，對本工程高揚程、大容量立式單吸單級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 過機泥沙基本情況

本工程來水泥沙以義門水文站多年平均顆粒級配曲線為依據(jù)進(jìn)行計算，見表1。

表1 河曲、義門水文站泥沙顆粒級配

根據(jù)取水口處的泥沙顆粒級配，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，從而過機含沙量為取水口含沙量的66.64%。以此比例對取水口處的含沙量進(jìn)行折算，可得1989年過機泥沙逐日含沙量，見表2，過機泥沙年均含沙量為2.76kg/m3，其中含沙量大于5kg/m3的天數(shù)為20天。水泵設(shè)計過機泥沙含量5kg/m3。

表2 過機泥沙顆粒級配

3 抗泥沙磨蝕措施

一期水泵流量大、揚程高、功率大、泥沙含量高，效率要求達(dá)到91.5%，且要求自投入運行之日算起，在額定轉(zhuǎn)速下累計運行8000h為磨蝕保證期。高含沙水泵要安全穩(wěn)定運行，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、結(jié)構(gòu)設(shè)計、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

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

圖1給出了水泵比轉(zhuǎn)速隨設(shè)計揚程變化的關(guān)系,是對國內(nèi)外幾十座抽水蓄能電站和國內(nèi)外大型離心式泵站的統(tǒng)計結(jié)果,對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，對應(yīng)設(shè)計揚程為200m的水泵，其設(shè)計比轉(zhuǎn)速應(yīng)該在30左右。

圖1 離心泵設(shè)計揚程與比轉(zhuǎn)速關(guān)系統(tǒng)計曲線

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，水泵年利用小時數(shù)較高，為減少泥沙磨損，不宜選用過高的轉(zhuǎn)速。在額定轉(zhuǎn)速為500r/min時，由于水泵進(jìn)出口直徑比較大、流道較長，水泵效率較低，且由于電動機轉(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。

水泵在無空化條件下運行，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[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測試結(jié)果，最大揚程為201m，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，對應(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，對應(yīng)的裝置空化系數(shù)應(yīng)大于0.138～0.156。最小揚程為195.8m，額定轉(zhuǎn)速為600r/min，對應(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，對應(yīng)的裝置空化系數(shù)應(yīng)大于0.138～0.156。

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

圖2為設(shè)計揚程工況點葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼在Z=0時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)速下均能安全運轉(zhuǎn)且無任何有害的振動和變形，從而減小由于轉(zhuǎn)輪擺動過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)，對止漏環(huán)的型式進(jìn)行特殊設(shè)計，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，利用機坑電動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從吊物孔吊出(或吊入)至葉輪芯包檢修支架及平臺進(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)上下過流表面和固定導(dǎo)葉過流表面(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

由泵站運行經(jīng)驗可知，葉片制造缺陷對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度，延長使用壽命。

3.4.1 制造方式

制造方式對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 采用高效的強化措施

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

3.5.2 泵內(nèi)速度場分析

圖3為中部引黃工程地下泵站一期單級單吸離心泵的速度場分析成果。

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31m/s。根據(jù)已有引黃泵站的運行經(jīng)驗[4]，對于抽黃河水的水泵，相對速度大于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 一期單級單吸離心泵內(nèi)速度場仿真成果

3.5.3 噴涂工藝

對葉輪、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。高速運動的顆粒與基材表面結(jié)合的特點是[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程本站，泵輪葉片磨損破壞較嚴(yán)重，對泵輪葉片進(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

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