第2章　高扬程大功率立式离心水泵开发与试验研究

2.1　研究缘由

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48m，约设计扬程的21.9%，最低扬程仅为设计扬程的84.6%，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。单级水泵的最高扬程超过230m，从扬程与流量角度来分析，可供选择的比转速约89m·m3/s或107m·m3/s，水泵的比转速低，设计难度大；泵站在最高扬程、设计扬程条件下运行时均对水泵供水流量有明确要求；泵站的最大过流能力受泵站后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。这就需要根据工程的实际边界条件和要求，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，当时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。

中低比转速离心泵因其扬程高、流量小、流道狭长且叶片曲率较大等问题，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]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]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]对立式离心泵进行水力模型开发；徐岩等[4]通过偏置叶轮短叶片改善了扬程驼峰特性；蒋青等[5]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]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]利用计算机流体动态分析（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]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[9]等以泵泄漏量（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和关死点扬程；Bacharoudis[10]等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、设计扬程和最低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。

干河泵站的立轴单级离心泵是我国轴功率最大的水泵，国际上也少有类似比转速的水泵可供直接借鉴。为研究250m扬程段不同比转速立式单级离心泵的综合性能、分析水泵采用变速调节的必要性、提出减轻水泵泥沙磨损的措施，开展了高扬程大功率离心水泵的研究工作，为工程设计和主要机电设备的招标采购提供依据，并为泵站机组的安全、稳定和长期运行奠定基础。