第2章　高揚程大功率立式離心水泵開發與試驗研究

2.1　研究緣由

干河泵站水泵選型與設計中存在以下幾個難點：

（1）泵站運行揚程變幅大。干河泵站運行揚程變幅約48m，約設計揚程的21.9%，最低揚程僅為設計揚程的84.6%，水泵運行揚程變幅大，離心水泵在低揚程下的流量特性對其效率和空化性能可能有明顯的影響，應引起足夠的重視。

（2）水泵設計難度很大。單級水泵的最高揚程超過230m，從揚程與流量角度來分析，可供選擇的比轉速約89m·m3/s或107m·m3/s，水泵的比轉速低，設計難度大；泵站在最高揚程、設計揚程條件下運行時均對水泵供水流量有明確要求；泵站的最大過流能力受泵站后明流輸水隧洞過流能力的限制，水泵在低揚程下的流量特性還關系到輸水建筑物的安全。這就需要根據工程的實際邊界條件和要求，選擇合適性能的水泵并予以驗證其特性，并確定水泵采用調節的必要性及調節方式。

（3）水泵年利用小時數高，水流中含有泥沙。設計供水量下工作泵的年運行時間近7000h，年運行時間很長，且從水庫中抽取的水流中含有泥沙（尤其是汛期），這將對水泵的性能和使用壽命產生影響。

（4）國內外可生產干河泵站水泵的制造廠家不多。從設計技術和經驗、制造能力和業績來看，當時單純從事水泵制造的國內廠家幾乎都不具備生產干河泵站機組的能力，具備生產干河泵站水泵能力的國外專業水泵生產廠家也只三四家。國內大型水電設備制造廠商擁有抽水蓄能可逆式水泵水輪機技術，但水泵在抗泥沙磨損、水力性能和結構上與水泵水輪機相差巨大，其水泵研制經驗欠缺。

中低比轉速離心泵因其揚程高、流量小、流道狹長且葉片曲率較大等問題，導致效率不容易提高。中低比轉速的離心泵葉輪水力設計已有很多方法。周鑫等[1]提出利用二元理論對低比轉速離心泵葉輪數值水力設計的方法；畢尚書等[2]對低比轉速離心泵葉輪的現有的水力設計方法進行了全面的闡述；布存麗等[3]對立式離心泵進行水力模型開發；徐巖等[4]通過偏置葉輪短葉片改善了揚程駝峰特性；蔣青等[5]通過理論推導，得出揚程特性曲線的數學方程，進而分析水力設計中幾何參數的選擇對該曲線的影響；袁壽其等[6]提出了消除離心泵揚程曲線駝峰特性的三種葉輪；王勇等[7]利用計算機流體動態分析（CFD）技術對低比轉速離心泵在沖角變化時泵內的空化流場進行數值模擬；尉志蘋等[8]從實踐的角度進行分析，提出了葉輪入口參數的葉片進口面積比是影響離心泵空化性能的一個非常重要的因素；Dyson[9]等以泵泄漏量（設計流量的1%～5%）為邊界條件，模擬計算了一臺3葉片離心泵非定常流場和關死點揚程；Bacharoudis[10]等在保證葉輪出口直徑不變的前提下，通過改變葉片出口角來分析水泵性能。

通過以上國內外研究資料發現，對于中低比轉速離心泵的水力特性研究比較完善，也取得了一定的成果。但是，對于揚程變幅較大以及在最高揚程、設計揚程和最低揚程條件下運行時均對供水流量有要求的中低比轉速離心泵的研究還很少。

干河泵站的立軸單級離心泵是我國軸功率最大的水泵，國際上也少有類似比轉速的水泵可供直接借鑒。為研究250m揚程段不同比轉速立式單級離心泵的綜合性能、分析水泵采用變速調節的必要性、提出減輕水泵泥沙磨損的措施，開展了高揚程大功率離心水泵的研究工作，為工程設計和主要機電設備的招標采購提供依據，并為泵站機組的安全、穩定和長期運行奠定基礎。