黃河小北干流水泵選型要點(diǎn)探討

孫耀民

(運(yùn)城市尊村引黃灌溉服務(wù)中心，運(yùn)城 044000)

0 引 言

水泵是泵站的主要機(jī)器設(shè)備，其選型至關(guān)重要，尤其是水泵轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量、葉輪材質(zhì)、口環(huán)型式、泵體重量等合理與否直接關(guān)系到泵站能否安全可靠運(yùn)行，并關(guān)系到工程效益、供排水能耗及成本等。通常情況下，水泵選型要滿足泵站設(shè)計流量、不同時期排水要求等，盡可能按照水泵高效區(qū)范圍，實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)位于高效區(qū)，并接近水泵最優(yōu)運(yùn)行工作點(diǎn)[1-4]。但在選型中對于水泵運(yùn)行環(huán)境考慮較少，特別是黃河小北干流河段，水源中泥沙含量高、硬度高，而且柴草多，且變化異常，導(dǎo)致水泵磨蝕和堵塞嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響水泵的使用壽命及效率，文章根據(jù)黃河小北干流多泥沙泵站運(yùn)行實(shí)際情況，從水泵轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量、葉輪材質(zhì)、口環(huán)型式、泵體重量等方面分析探討了減緩或避免離心泵泥沙磨蝕問題。

1 水泵選型對轉(zhuǎn)速的要求

1.1 盡可能降低水泵轉(zhuǎn)速

由于黃河水質(zhì)泥沙含量較大，以龍門水文控制站測量結(jié)果為例，年均26.2kg/m3，汛期高達(dá)98.6kg/m3，泥沙中90%以上的成分是硬度高、顆粒細(xì)的石英和長石，對水泵過流部件磨損嚴(yán)重[5-7]?！侗谜炯夹g(shù)管理規(guī)程》(GB/T 30948—2014)規(guī)定主水泵檢修周期為3-5a或運(yùn)行2500-15000h，含沙水質(zhì)適當(dāng)提前。黃河流域上某多泥沙泵站，在改造前，離心泵運(yùn)行3000h葉輪磨損嚴(yán)重，就需要大修更換葉輪及口環(huán)等部件，大大增加了運(yùn)行成本和維護(hù)工作量。

當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速較高時運(yùn)行效率高，耗能降低，但弊端是水力效率降低，磨損嚴(yán)重，水泵使用壽命縮短，設(shè)備檢修費(fèi)用增大，泵站的整體效益受損。高轉(zhuǎn)速運(yùn)行節(jié)約的電費(fèi)，遠(yuǎn)低于泵站壽命和效益損失值[8]。

SN800型離心泵性能參數(shù)，見表1。

表1 SN800型離心泵性能參數(shù)

由表1可以看出，低轉(zhuǎn)速水泵與高轉(zhuǎn)速水泵相比，允許汽蝕余量較小，抗汽蝕性能好，過流部件磨損程度相對減小。因此，對于多泥沙泵站而言，降低轉(zhuǎn)速可以減少磨損，提高使用壽命。另外，由表1可知，相同性能參數(shù)條件下，低轉(zhuǎn)速泵的比轉(zhuǎn)數(shù)更小。一般地說，低比轉(zhuǎn)數(shù)泵高效區(qū)范圍更寬，低轉(zhuǎn)速泵的高效區(qū)范圍寬泛，更加適合揚(yáng)程變化較大的泵站[9-10]。

600S型離心泵性能參數(shù)，見表2。

表2 600S型離心泵性能參數(shù)

由表2對比看出，水泵轉(zhuǎn)速降低后，流量、揚(yáng)程等性能參數(shù)無法滿足要求，可以通過增加水泵級數(shù)來彌補(bǔ)，即600S75J型采用兩級葉輪可滿足泵站流量和揚(yáng)程要求。

1.2 降低轉(zhuǎn)速的途徑

1.2.1 增大葉輪直徑

v2=2gH

(1)

(2)

式中：D2為葉輪外徑；n為水泵轉(zhuǎn)速；v為流速。

由式(1)可知，在揚(yáng)程確定時，流速不變；根據(jù)式(2)可知，葉輪外徑D2和轉(zhuǎn)速n成反比。在揚(yáng)程、流量不變的前提下，離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)(一般為60-180之間)在允許的范圍內(nèi)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速與葉輪直徑，因葉輪出口切線速度不變，增大葉輪直徑可以有效降低轉(zhuǎn)速[11-12]。

1.2.2 采用變頻拖動

在變頻拖動的水泵中，頻率的高低決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是水泵的轉(zhuǎn)速。對于同一臺水泵來說，當(dāng)葉輪直徑不變，改變轉(zhuǎn)速時，其性能的變化規(guī)律如式(4)、(5)、(6)。

Q1/Q2=n1/n2

(4)

H1/H2=(n1/n2)2

(5)

P1/P2=(n1/n2)3

(6)

式中：Q1，H1，P1為轉(zhuǎn)速n1時的流量、揚(yáng)程和軸功率；Q2，H2，P2為轉(zhuǎn)速n2時的流量、揚(yáng)程和軸功率。

轉(zhuǎn)速降低時，流量、揚(yáng)程和軸功率均有不同程度減小，對軸功率影響成三次方正比。

對于長距離管道輸水的泵站，特別是管道上連接灌溉支管時，采用變頻拖動方式最為有利。管道中途分水，可降低水泵揚(yáng)程，按照水泵性能曲線流量與軸功率關(guān)系可知，流量增大，軸功率增大；若采用變頻降速的方式，根據(jù)式(6)，轉(zhuǎn)速減小，軸功率減小，有利于節(jié)能降耗。

1.2.3 采用兩級或多級葉輪

為了延長水泵使用壽命，多級泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成為選型的一個重要制約因素。其中，泵站使用的多級泵一般分為3種：蝸殼式單吸單級泵、蝸殼式雙吸多級泵、雙進(jìn)口蝸殼式多級泵。

蝸殼式單吸多級泵與蝸殼式雙吸多級泵相比，有以下3點(diǎn)不同：①它們的葉輪結(jié)構(gòu)形式不同，前者為單吸，后者為雙吸；②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；③二者的汽蝕余量不同。當(dāng)兩臺泵的比轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、流量相同時，若前者氣蝕余量為△&,則后者為0.63Ahro。即：蝸殼式雙吸多級泵的氣蝕性能優(yōu)于蝸殼式單吸多級泵。值得注意的是，兩種泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式是相同的，即隔板間的間隙泄流量都是流過一級葉輪的。

需要特別說明的是，設(shè)計工況運(yùn)行時，水泵的軸向力為零。 制造商考慮到加工誤差以及流態(tài)變化，“背靠背”或“面對面” 裝設(shè)兩盤角軸承。水泵在實(shí)際運(yùn)行中，往往由于單邊柴草堵塞而出現(xiàn)較大的軸向力。水泵改造時，若未考慮實(shí)際工況，往往會造成推力軸承因承載能力欠缺而損壞。此點(diǎn)應(yīng)引起用戶及制造商的高度重視。

2 從水泵設(shè)計結(jié)構(gòu)要求

2.1 葉輪材質(zhì)選擇

水泵葉輪常用的金屬材料有鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼等，從使用情況來看，鑄鐵和鑄鋼存在氣孔、砂眼等鑄造缺陷，使用中極易誘發(fā)汽蝕、漩渦等，抗磨蝕性能較差；不銹鋼的抗汽蝕性能好，但它的抗磨損性能與普通碳鋼相當(dāng)，而且造價高，因此使用不銹鋼制造葉輪不經(jīng)濟(jì)。對于多泥沙離心泵較多地是采用鑄鋼葉輪并涂敷耐磨防護(hù)層，鑄鋼材料一般選用20#-35#鋼，防護(hù)涂層一般選用Ni60合金涂層，提高水泵葉輪表面的抗磨蝕性能，從而提高葉輪的使用壽命。某泵站SD900型離心泵鑄鋼葉輪涂敷Ni60耐磨層，使用壽命約9000h，其使用時間1倍于沒有涂層鑄鋼葉輪。對于抽黃灌溉運(yùn)行管理單位，采用一種具有較好抗磨蝕性能、效率高、使用壽命長、性價比好的葉輪是十分必要的。

2.2 葉輪制造工藝選擇

以前離心泵葉輪基本采用鑄造工藝，但目前鋼板焊接葉輪的應(yīng)用日趨增多，優(yōu)勢明顯。采用低碳鋼板成型葉片組焊接葉輪，俗稱鋼板焊接葉輪，主要是用鋼板模壓成形葉片和輪轂組焊葉輪，這種葉輪與原鑄鐵或鑄鋼葉輪相比的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)[13]：①使用壽命長，因鋼板具有組織細(xì)密、韌性好、不易脫落等優(yōu)點(diǎn)，耐汽蝕和磨損優(yōu)于鑄鐵和鑄鋼，相關(guān)試驗(yàn)表明，相同環(huán)境下，鋼板焊接葉輪可達(dá)20000h，使用時間是球鐵葉輪的2.5倍；②表面光潔度高，葉輪流道表面可以進(jìn)行機(jī)械加工，提高了表面光潔度；③制造質(zhì)量好，更好地符合設(shè)計要求；④磨損可修復(fù)，節(jié)約了運(yùn)行成本和檢修成本，鋼板焊接葉輪造價與鑄鐵葉輪的成本比為1.3-1.4倍，但修復(fù)成本僅為造價的1/10，鋼板焊接葉輪性價比更好。

2.3 葉片數(shù)量選擇

葉片數(shù)量對水泵揚(yáng)程、效率、汽蝕性能等都有一定影響，葉片數(shù)量多，介質(zhì)的相對液流角接近葉片安放角，能夠提高水泵揚(yáng)程，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音和振動小，但水泵通過雜物能力會下降，黃河小北干流河段，水源中泥沙含量高、柴草多，且變化異常，極易造成堵塞；葉片數(shù)量少，揚(yáng)程略有降低，效率隨之下降，使運(yùn)行工況穩(wěn)定性減弱，但噪音和振動相對加大。葉片數(shù)量與比轉(zhuǎn)數(shù)及葉片包角之間存在一定關(guān)系，泵站所使用的離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)一般在60-180之間，葉片數(shù)為4-7片時水泵效率具有較大值，比轉(zhuǎn)數(shù)小時選多葉片數(shù)，比轉(zhuǎn)數(shù)大時選少葉片數(shù)。多泥沙離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)多數(shù)在90-150之間，宜選用6片，既能較好使水中雜質(zhì)過流，又不會影響水泵的主要性能。黃河小北干流某泵站600S-47型水泵，新泵葉片數(shù)是7片，試運(yùn)行為100h流量衰減，拆開泵蓋后發(fā)現(xiàn)雜物將葉輪流道堵塞30%，清理后得以好轉(zhuǎn)；葉輪葉片數(shù)更換為6片后，堵塞情況明顯好轉(zhuǎn)，各灌季均能滿足運(yùn)行。

2.4 口環(huán)型式選擇

口環(huán)，又稱減漏環(huán)、密封環(huán)、承摩環(huán)，其主要作用是防止水泵出口端介質(zhì)倒流回進(jìn)口端，起到密封作用；同時也起耐磨作用，避免葉輪和泵殼直接接觸損壞，有保護(hù)葉輪和泵殼不受磨損的作用[14]。一般來講，口環(huán)是易損件，在口環(huán)磨損后，可以修復(fù)或更換新環(huán)，恢復(fù)正常裝配間隙，這樣既經(jīng)濟(jì)又便于檢修。

離心泵口環(huán)的結(jié)構(gòu)形式按數(shù)量分為單密封環(huán)和雙密封環(huán)。按密封環(huán)的結(jié)構(gòu)形式分為環(huán)型密封環(huán)、L型密封環(huán)和階梯型密封環(huán)等。根據(jù)黃河流域水泵的使用情況來看，多數(shù)水泵制造商采用的是清水泵模式和幾何尺寸，主要是環(huán)型密封環(huán)。單密封環(huán)型式，見圖1；雙密封環(huán)型式，見圖2。

圖1 單密封環(huán)型式 圖2 雙密封環(huán)型式

從運(yùn)行使用壽命來看，雙密封環(huán)型式優(yōu)于單密封環(huán)型式。

從型式上分析，環(huán)型口環(huán)比較適合多泥沙水泵：①機(jī)加工相對簡單，有利于生產(chǎn)；②便于噴焊耐磨材料；③加長口環(huán)寬度可有效減少滲流量。

從材質(zhì)上分析，口環(huán)材質(zhì)一般有灰鑄鐵HT200、鑄鋼和不銹鋼等材質(zhì)，鑄鋼和不銹鋼材質(zhì)耐磨性較好。多泥沙水泵葉輪多數(shù)采用鑄鋼或不銹鋼，若口環(huán)材質(zhì)與葉輪材質(zhì)耐磨性能相當(dāng)，最終導(dǎo)致葉輪與口環(huán)同等程度磨損[15]，因此口環(huán)材質(zhì)要根據(jù)口環(huán)型式不同區(qū)別選擇。單密封環(huán)型式是利用一個口環(huán)與葉輪前蓋板圓弧的延長部位相互配合達(dá)到密封效果，這種型式宜選用鑄鐵口環(huán)，水泵運(yùn)行時，葉輪與口環(huán)間隙不足相互摩擦，口環(huán)被磨損，能夠保證葉輪完好，只需更換口環(huán)。雙密封環(huán)是在葉輪上鑲裝一個動環(huán)與另一個固定環(huán)相互配合達(dá)到密封效果，這種型式宜選用耐磨性好的鑄鋼或不銹鋼材質(zhì)，葉輪被固定環(huán)保護(hù)，不被磨損，動環(huán)和固定環(huán)磨損后成套更換，所以雙密封環(huán)的耐磨性好、使用壽命長，可以延長檢修周期[16]。

L型密封環(huán)、階梯型密封環(huán)機(jī)加工難度較大，因表面難以噴焊Ni60不適用于泥沙環(huán)境。L型密封環(huán)，見圖3；階梯型密封環(huán)，見圖4。

圖3 L型密封環(huán) 圖4 階梯型密封環(huán)

綜上分析，黃河多泥沙水泵宜選用雙密封環(huán)型式，可提高口環(huán)耐磨性和密封性。主要有以下途徑： ①口環(huán)采用鑄鋼、不銹鋼等耐磨蝕性材料；②在動環(huán)外徑和固定環(huán)內(nèi)徑的兩個表面噴焊Ni60耐磨涂層；③提高固定環(huán)與泵殼間緊密程度，將口環(huán)180°凸臺改為360°凸臺，或是在固定環(huán)外徑表面加裝“O”型橡膠圈。

2.5 水泵重量選擇

水泵的重量對于水泵的運(yùn)行穩(wěn)定和使用壽命有著重要影響。水泵自重大，能夠有效克服運(yùn)行時產(chǎn)生的振動，穩(wěn)定性好；另外水泵泵體越厚，泵體承受泥沙沖刷磨損的余量越多，使用壽命也越長。但目前水泵采購招標(biāo)中對水泵重量很少提出要求，水泵制造商為追求利潤，減輕水泵重量，以節(jié)約成本，這對用戶來說是不利的。

3 其他要求

離心泵的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般制造商采用鑄造方法生產(chǎn)離心泵，鋼(鐵)水中雜質(zhì)較多，鑄件缺陷難以避免，抽黃水泵擬加強(qiáng)缺陷探傷測試，必須嚴(yán)格補(bǔ)強(qiáng)缺陷。

黃河上高揚(yáng)程泵站擬選擇合理的水泵結(jié)構(gòu)形式，具體有3種泵型，其中單吸單級泵和單進(jìn)口雙吸多級離心泵的隔板兩端壓差較大，則級間隔板間隙泄流量較大，加上含有石英沙的泥沙作用，泄流量增加很快，引起軸向力失去平衡，軸承極易損壞，不適合抽提黃河水；雙進(jìn)口雙吸多級離心泵的級間泄流量理論上很少，隔板兩端壓差也很小，個別因雙進(jìn)口的單邊堵塞時出現(xiàn)級間泄流量加大，但是加上葉輪是“背靠背”對稱布置，形成的軸向力偏差較小，

實(shí)踐證明，蝸殼式單吸多級泵不適宜多泥沙泵站使用，蝸殼式雙吸多級泵適應(yīng)于多泥沙泵站使用。雙進(jìn)口雙吸多級泵汽蝕性能相對較好，能夠有效延長水泵使用壽命。

4 結(jié) 論

黃河小北干流上的水泵過流部件普遍存在嚴(yán)重磨損，為延長水泵使用壽命的方法，文章并從不同角度提出了一些措施，如優(yōu)化水力設(shè)計，選用抗磨蝕性能好的材料，提高過流部件制造質(zhì)量和表明光潔度等。從運(yùn)行管理角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行效果，得出以下5點(diǎn)結(jié)論：

1)多泥沙水泵在保證流量、揚(yáng)程的前提下，盡可能降低水泵轉(zhuǎn)速，能有效減少水泵過流部件磨損和汽蝕。水泵降速運(yùn)轉(zhuǎn)可通過增大葉輪外徑、變頻拖動(管網(wǎng)加壓泵站必須首選)、增加水泵級數(shù)等方式實(shí)現(xiàn)。

2)水泵葉輪材質(zhì)多數(shù)采用鑄鋼并涂敷耐磨防護(hù)層，應(yīng)用實(shí)踐表明，鋼板焊接葉輪也適合黃河多泥沙水泵工況，具有良好抗磨蝕性能、使用壽命長、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3)水泵葉片數(shù)一般取4-7片，但在多泥沙水質(zhì)條件下，離心泵要考慮水質(zhì)環(huán)境，兼顧葉輪通過雜物能力，一般選取6片較為適合。

4)多泥沙離心泵口環(huán)選用單密封環(huán)型式時，口環(huán)硬度要低于葉輪硬度，能更好地保護(hù)葉輪；選用雙密封環(huán)型式，口環(huán)采用耐磨蝕性能好的材料，在口環(huán)表面噴焊Ni60耐磨涂層等，將延長使用壽命。

5)水泵重量不容忽視，要盡可能增大自重，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性和有足夠的磨蝕余量。