牛栏江-滇池补水工程高扬程大功率离心式水泵科研与设计

牛栏江-滇池补水工程高扬程大功率离心式水泵科研与设计游超;徐宏光;宫让勤;吴喜东

【摘要】干河泵站是牛栏江—滇池补水工程的核心,选用的立轴单吸单级离心式水泵是我国轴功率最大的离心泵,水泵设计难度很大.干河泵站水泵是我国自行独立研究、设计和制造的高扬程大功率离心泵,本文介绍了干河泵站水泵的研究成果和结构设计,以及水泵采取的抗泥沙磨损措施.干河泵站大型中低比转速离心泵的开发标志着我国大型离心水泵的研发具有世界领先水平,对提高我国水泵行业的技术水平具有重要意义.

【期刊名称】《大电机技术》

【年(卷),期】2014(000)006

【总页数】5页(P36-39,46)

【关键词】大型;单吸单级离心泵;中低比转速;科研;设计;泥沙磨损防护;供水工程;云南

【作者】游超;徐宏光;宫让勤;吴喜东

【作者单位】水利部水利水电规划设计总院,北京,100120;哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨,150040;哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨,150040;水力发电设备国家重点实验室,哈尔滨,150040

【正文语种】中文

【中图分类】TH311

0 前言

牛栏江—滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，是滇中调水的近期重点工程，近期重点向滇池补充生态水量，改善滇池水环境，并在昆明发生供水危机时，提供城市生活及工业用水。牛栏江—滇池补水工程由德泽水库水源枢纽工程、干河泵

站工程及干河泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成，其中，干河泵站为补水工程的核心，泵站自牛栏江干流上的德泽水库库内取水，加压后经无压输水线路（设计流量为23m3/s）将水引入昆明市的盘龙江。

干河泵站工程由进水隧洞、调压井、主洞室、工作竖井、主交通洞、通风洞、出水竖井、地面出水池、地面 GIS楼和副厂房等组成。泵站提水设计流量为23m3/s，设计扬程221.2m；最大扬程233.2m，提水流量为20m3/s；最小扬程186.3m，加权平均扬程208.7m。泵站选用4台（含1台备用）立轴单吸单级离心式水泵机组。

中低比转速离心泵因其扬程高、流量小、流道狭长且曲率较大等问题，导致效率不容易提高，中低比转速的离心泵叶轮水力设计已有很多方法。周鑫等[1]人提出利

用二元理论对低比转速离心泵叶轮数值水力设计的方法；毕尚书等[2]人对低比转

速离心泵叶轮的现有的水力设计方法进行了全面的阐述；布存丽等[3]人对立式离

心泵进行水力模型开发；徐岩等[4]人通过偏置叶轮短叶片改善了扬程驼峰特性；

蒋青等[5]人通过理论推导,得出扬程特性曲线的数学方程，进而分析水力设计中几

何参数的选择对该曲线的影响；袁寿其等[6]人提出了消除离心泵扬程曲线驼峰特

性的三种叶轮；王勇等[7]人利用CFD技术对低比转速离心泵在冲角变化时泵内的空化流场进行数值模拟；尉志苹等[8]人从实践的角度进行分析，提出了叶轮入口

参数的叶片进口面积比是影响离心泵空化性能的一个非常重要的因素；Dyson等[9]人以泵泄漏量（设计流量的1%～5%）为边界条件，模拟计算了一台3叶片离

心泵非定常流场合关死点扬程；Bacharoudis等[10]人在保证叶轮出口直径不变的前提下，通过改变叶片出口角来分析水泵性能。

通过阅读以上国内外研究资料发现，对于中低比转速离心泵的水力特性研究比较完善，也取得了一定的成果。但是，对于扬程变幅较大以及在最高扬程、设计扬程和最小扬程条件下运行时均对供水流量有要求的中低比转速离心泵的研究还很少。

1 水泵选型与设计难点

干河泵站水泵选型与设计中存在以下几个难点：

（1）泵站运行扬程变幅大。干河泵站运行扬程变幅约47m，约为设计扬程的21.2%，最小扬程仅为设计扬程的84.2%，水泵运行扬程变幅大，离心水泵在低

扬程下的流量特性对其效率和空化性能可能有明显的影响，应引起足够的重视。（2）水泵设计难度很大。泵站在最高扬程、设计扬程和最小扬程条件下运行时均对供水流量有要求，泵站的最大过流能力受泵站后的明流输水隧洞过流能力的限制，水泵在低扬程下的流量特性还关系到输水建筑物的安全；单级水泵的最大扬程超过200m，从扬程与流量角度来分析，可供选择的比转速约为89m·m3/s或

107m·m3/s，水泵的比转速低，设计难度大。这就需要根据工程的实际边界条件，选择合适性能的水泵并予以验证其特性，并确定水泵采用调节的必要性及调节方式。（3）水泵年利用小时数高，水流中含有泥沙。设计供水量下工作泵的年运行时间近7000h，年运行时间很长，且从水库中抽取的水流中含有泥沙（尤其是汛期），这将对水泵的性能和使用寿命产生影响。

（4）国内外可生产干河泵站水泵的制造厂家不多。从设计技术和经验、制造能力和业绩来看，目前单纯从事水泵制造的国内厂家几乎都不具备生产干河泵站机组的能力，具备生产干河泵站水泵能力的国外专业水泵生产厂家也只三四家。国内大型水电设备制造厂商拥有抽水蓄能可逆式水泵水轮机技术，但水泵在抗泥沙磨损、水力性能和结构上与水泵水轮机相差巨大，其水泵研制经验欠缺。

干河泵站与工程的成败及效益紧密相关。干河泵站的立轴单级离心式水泵运行扬程高、功率大，是我国轴功率最大的离心水泵，国际上没有类似比转速的水泵可供直接借鉴。为选择性能合适的水泵并予以验证其特性，确定水泵流量调节的必要性及调节方式，分析泥沙对水泵过流部件的影响，降低水泵设备的投资，因此开展了高扬程大流量水泵的特性及调节方式研究。

研究采用计算机流体动态分析（CFD）方法进行三维粘性流解析，分析特征工况下水泵内部的压力场、流态和速度矢量分布，开发新的目标水泵，预估水泵的综合性能，根据模型试验结果进行水力设计的整体优化，再次通过模型试验对优化设计的水泵进行性能验证，开发出了适合于干河泵站的 A1054离心泵。A1054水泵的模型特性曲线如图1所示。

根据水泵的模型试验成果、水泵选型设计和流量调节计算分析，研究成果如下：（1）A1054模型的最优效率为91.57%，综合性能达到了国际领先水平。

（2）综合考虑水泵的水力设计、运行效率、空化性能、抗泥沙磨损能力、机组设备投资和泵站工程设计等因素，确定水泵的额定转速为600r/min。

图1 A1054离心泵模型特性曲线图（D2m=0.61m，nm=800r/min）

（3）按叶轮最小淹没深度27m考虑，水泵在设计扬程、最大扬程下的空化性能

有足够裕量，但水泵在扬程低于200m下难以实现无空化运行。水泵在低扬程区

间运行时应采用变频调速方式进行转速调节，以改善水泵在低扬程区间的空化性能，提高水泵运行效率、减轻振动和空蚀，还可大大提高供水运行的安全性和灵活性。（4）水泵流量调节的下限不宜低于6m3/s，在低扬程区间水泵的流量调节上限可在 8.5～9.0m3/s之间，相应转速调节范围在0.89～1.03倍额定转速之间。

A1054水泵采用变频调速运行时，7.0～8.0m3/s的工作流量区间为高效率区间（原型水泵运行效率不低于92%），水泵空化性能良好，运行时宜优先考虑。