浅谈通过改善汽蚀性能提高泵站装置效率

赵本禹 路 松

一、基本情况

解台抽水站位于徐州市贾汪区解台闸下660m处京杭运河不牢河南岸，是江苏省江水北调工程的第八级翻水站，也是国家南水北调东线工程的重要梯级站。该站安装36ZLB-100型立式轴流水泵，配用JSL14（TH）-10立式异步电动机22台套，泵站总装机容量6160kW，设计流量50m3/s。

该泵站采用湿室型泵房结构，分上下两层，上层为电机层（厂房），下层为水泵层（进水池）。机组采用一列式布置，配电设备采用一侧式布置。泵房宽11.1m，总长80.86m，分4块底板浇筑。泵房西端设检修间，东端设中心控制室。泵站采用开敞式进水池进水，各进水池之间由隔墩分隔，各水泵机组均为单独进水。出水池与泵房分建，平面布置呈“Π”形，为减少出水管长度，出水池紧靠站身，两者底板分置于土基上，水泵采用铸铁管导出水，拍门断流。为防止杂物进入泵房，在进水侧距水泵4.25m处设拦污栅。

二、工程效益

解台抽水站是江苏省南水北调的重要梯级泵站。担负着向不牢河解台闸上翻水调水的重要任务，为不牢河沿线工农业生产、航运、发电提供可靠的水源保证，同时还担负徐州市区生活用水及向微山湖补水的任务。自1984年投入运行以来，已累计运行85万台时，抽水76.5亿m3。1989年江苏发生百年罕见旱情，解台站连续运行348天，翻水8.6亿m3，解除了徐州地区近280万亩农田旱情。2002年，为保证徐州地区的工农业和城镇居民生活用水及微山湖生态用水，连续运行308天，翻水8.9亿m3。解台站的调水大大缓解了徐州地区水资源严重匮乏的局面，保证了京杭运河这条黄金水道的常年通航，改善了运河沿线和徐州市湖西地区300万亩农田的灌溉条件，为保证市区居民生活、工业生产和徐州发电厂用水发挥了显著作用，取得了明显的社会效益和经济效益。

三、存在的主要问题及原因分析

解台站自建成至今已运行近20年，从目前运行情况看，该站存在问题较多，效率逐年下降，效益日益降低，机组完好率难以达标。水泵汽蚀十分严重，经检查发现，在平均运行3400台时情况下，叶片汽蚀深度达15～18mm，严重的甚至造成穿透、断裂。汽蚀面积达170～810cm2不等，占叶片单面面积的30%～80%。水泵叶轮室内壁严重汽蚀侵蚀，侵蚀范围在整个圆周内，宽度达100～150mm，并有40%的机组被穿透而无法使用。由于严重汽蚀影响，造成机组的振动加剧，噪音增大，螺栓松动，效率下降。同时，缩短了大修周期，增加了泵站维修工作量，平均每台大修间隔时间为3405小时，汽蚀严重的仅有1926小时。至1998年7月，共大修机组111次，严重影响了泵站的正常生产。每年都因主泵损坏更换叶片、叶轮外圈、导叶体、轴承等部件耗费大量人力、物力和财力。据统计，建站18年来共更换叶片761片，导叶体116只，喇叭管119只，水泵轴55根，橡胶轴承475只，直接维修费用在400万元以上。

表1 6#、17#、19#机组检查情况

1.汽蚀产生的原因

当液体在泵内流动时，若局部压力低于一定值，在液体内的杂质、微小固体颗粒或液体与固体接触面的缝中存在的气泡或汽核，会迅速生成为人眼可见的气泡或汽泡，为简化起见，把汽核、气核统称为气核。气泡流称为空泡。气核进入低压区生成为空泡，空泡随液流到达压力较高的区域时，受到周围液体的压缩，并经过反弹膨胀，直到最后破灭。这一过程称为汽蚀。

2.水泵选型不当

解台站设计选型时，选用了36ZLB－100型轴流泵。水泵厂为满足流量要求，将该泵转速提高至590r/min,配280kW10极电动机。由于转速的提高，水泵的nD值达505，而一般轴流泵系列nD值应在435以下，nD值偏大是该站水泵汽蚀的主要原因。水泵转速提高后，使水泵内的水力损失急剧增加，水泵效率大大下降。提速后的水泵设计扬程H=5.5m，实际扬程达到H=5.8～6.3m。因此，提速后的36ZLB—100型泵设计扬程远低于水泵长期运行的实际扬程。水泵在偏离设计工况下运行,加大了流液进口冲角,使叶片背面产生旋涡发生汽蚀。

3.进水池设计参数不合理

进水池的宽度、悬空高、后壁距等参数均未按优化参数组合，造成进水池内有漩涡、回流现象。原水泵喇叭口悬空高Z达1m，Z/D（D为喇叭口直径）为0.83，超过最佳范围。解台站设计流道底板高程22.5m,叶轮中心高24.02m,喇叭管悬高1.0m,设计下游最低抽水位25.5m，叶轮中心临界淹没水深为1.5m,水泵中心距半园形后壁圆心0.83m，后壁距X高达2.33m，X/D为1.94。后壁距的增大，使水泵后部形成回流空间。试验观测表明，当后壁距从0.5D增大到1.25D时，所要求的临界淹没深度增大近4倍，使水泵汽蚀更加严重。

4.进水池长度偏短

按泵站设计规范7.1.1.2条规定，弯道终点与前池进口之间直线长度应大于水面宽度的8倍。解台站进水池宽度80m，进水流道内水流表面流态紊乱,形成涡流和回流,造成水力损失增加,把大量的气体带入泵体,加剧了水泵的汽蚀。很显然，150多米长的引水河是远远不能满足要求的。

5.低水位运行

解台站设计叶轮中心高程为24.02m，叶轮中心临界淹没水深为1.5m，因此解台站设计下游最低运行水位25.5m。由于用水高峰时强行开机，迫使水泵运行在最低下游水位以下。低水位运行，使水泵进水池水流紊乱，漩涡加剧，进水口压力下降，减小了汽蚀余量。

6.拦污栅堵塞

前池内杂草、污物严重，已成为泵站引水中的一大难题。解台站位于大运河南侧，由于航运交通繁忙，抽水时，大量的杂草、污物进入拦污栅前，原设计清除杂物工作十分困难，严重时使拦污栅前后水位差高达0.5m，最多达1m以上，使泵室水位低于运行水位，淹没深度达不到水泵运行的要求，更加剧了水泵的汽蚀、振动。

四、技术改造

1.调整叶片角度。将叶片角度由0°改为-2°。

2.改换叶片材质。将铸铁叶片改为4只铜质叶片（改装机组为6#机）。

3.加长水泵轴颈、降低喇叭管进水高度。将铸铁叶轮毂，导叶体改为钢板焊接件，水泵轴颈由原设计110mm增至120mm，喇叭管悬高由1.0m降至0.65m。

4.改善进水流态。在进水流道喇叭管后加设ω型导流墙，高度为1.5m。导流墙用钢板焊接而成（改装19#机组）。

经过一段时间试运行后，分别对原机组和改造的机组进行了性能测试。从测试结果分析来看，三台机组扬程基本一致，6#机组稍高；流量17#最大，6#和19#基本一样；输入功率17#机最大，19#机最小，只有17#机的72.5%；装置效率19#机最高，达54.19%，而6#和17#机明显低于19#机组。

对6#、17#、19#三机组又进行了检查，检查情况如下：

由检查结果可知，6#机与19#几运行台时相差约1000台时，6#叶片为铜质，叶片汽蚀情况比19#机好，但叶轮外圈汽蚀情况要比19#机严重的多。17#机运行台时于19#机接近，但叶片和叶轮外圈汽蚀情况都比19#严重。

综合测试和检查的结果可以看出，19#机的性能要比其他两台要好得多，安装ω型导流墙，对延长机组寿命，减轻管理上的负担，提高水泵的效率，提高泵站的经济效益，有较大的经济价值，是一项较好的措施，从而也可以看出改善水泵的进水流态，对改善水泵汽蚀性能有较大作用。另外，改善叶片材质对提高汽蚀性能也有较大效果