大型可逆式贯流泵的汽蚀检测及原因探析

第２４卷第４期　２００６年８月　排灌机械　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００６　Ｄｒａｉｎａｇｅ　ａｎｄ　Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　大型可逆式贯流泵的汽蚀检测及原因探析　须伦根　，郑　源　，范道宇　（１．江苏省河道管理局，江苏南京２１００２９；２．河海大学，江苏南京２１００９８；３．江苏淮安抽水三站管理所江苏淮安２２３２００）　．摘要：通过对江苏省淮安三站可逆式贯流泵现场测试，分析了大型可逆式贯流泵的汽蚀原因．研究　表明，水泵叶片表面汽蚀主要是分布在叶片出口边和进口边工作表面上，每个叶片汽蚀程度不同。　但叶片出口边（相对水泵工况）汽蚀均比进口边严重；转轮室的汽蚀比较轻微。水泵叶片汽蚀程度　为Ⅲ一Ⅳ级范围．产生的原因是设计时主要考虑保证水泵运行较优，难以保证水轮机在较高水头下　运行，即较优工况下运行，因此在水轮机工况下，其汽蚀难以避免．　关键词：可逆式；贯流泵；泵站：汽蚀；原因　中图分类号：ＴＶ７３８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—６２５４（２００６）０４—００２９—０４　Ａｎａｌｙｚｅ　ｏｎ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｒｅａｓｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｌａｒｇｅ　ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｐｕｍｐ　ＸＵ　Ｌｕｎ．ｇｅｎ　，ＺＨＥＮＧ　Ｙｕａｎ　。ＦＡＮ　Ｄａｏ．ｙｕ　（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｒｉｖｅｒｗａｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００２９．Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｏｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００９８．Ｃｈｉｎａ；３　Ｈｕａｉ’ａＩｌ　Ｎｏ．３　Ｐｕｍｐ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｈｕａｉ　ａｎ，Ｊｉｎｇｓｕ　ａ２２３２００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｇｉｖｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｌａｒｇｅ　ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　ｔｕｂｕｌｒ　ａｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｅｏｍ—　ｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｈｕａｉ’ａｎ　Ｎｏ．３　ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　ｔｕｂｕｌｒ　ｐｕｍｐ，ｐｒａｏｂｌｅｍｓ　ｏｎ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅａｓｏｎｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔｓ．Ｉｔ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｂｌａｄｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｉｎ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｕｒ—　ｆａｃｅ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｏｕｔｌｅｔ　ａｎｄ　ｉｎｌｅｔ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｏｕｔｌｅｔ（ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｓｅｖｅｒｅｌｙ　ｔｈａｎ　ｉｎｌｅｔ；ｌｉｇｈｔ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｖｏｌｕｔｅ　ｂｅｌｏｎｇｅｄ　ｔｏⅢ～ＩＶ．Ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｄｅｅｐｌｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｕｍ—　ｐｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｓｔａｇｅ．ＳＯ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈｅｒ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｗｏｒｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ａｐｐｅａｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ；ｔｕｂｕｌａｒ　ｐｕｍｐ；ｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｒｅａｓｏｎ　大型可逆式贯流泵机组是低扬程大流量泵站的　有助于对这种水泵性能的了解，为今后选用类似机　型泵站的建设和管理提供有益帮助．　新型机组，由于受制造技术水平和对其研究的深度　等多种因素影响，至今不如轴流泵等其他类型机组　使用广泛．淮安三站是江苏省乃至全国建设最早、规　模最大的可逆式灯泡贯流式机组泵站，通过对该站　水泵的汽蚀检测，汽蚀原因分析，初步总结得出此类　机组的运行汽蚀特性．南水北调东线工程部分泵站　１淮安三站基本情况　淮安三站共安装３２ＧｗＮ一４２型灯泡贯流式定　浆水泵（水轮机）机组２台套，叶轮直径３．１９　ｍ，设　计抽水扬程４．２　ｍ，设计总抽水量６６　ｍ　／ｓ，机组额　定转速３７０　ｒ／ｍｉｎ，配　Ｉ’ＤＦＷＧ１７００／４０ｏ－４４／３２５０型　具有“低扬程、大流量”的特点，随着我国南水北调　东线工程的全面实施，贯流泵机组的应用将有较大　发展，对现有投运泵站的分析研究，对淮安三站的研　同步电动机（发电机），总装机容量３　４００　ｋＷ．该站　以抽水为主，在淮水丰富时，可结合向南里运河补水　究总结，将有助于对贯流泵机组泵站的进一步认识，　收稿日期：２００６—０３—２３　基金项目：江苏省水利科技项目（２００４２２３）　作者简介：须伦根（１９６３一），男，江苏无锡人，江苏省河道管理局闸站工程科科长，主要从事水利工程建设及管理　维普资讯 http://www.cqvip.com

排　灌　机　械　第２４卷　或泄洪进行发电运行，设计总发电容量为８００　ｋＷ．　水泵进、出水流道为卧式双向直锥扩散型，站身上、　下游均设有直立式翼墙，断流方式则采用绳鼓启闭　式中　为检测部件的汽蚀指数，ｍｍ／ｈ；Ｖ为检测部　件的汽蚀体积，Ｖ＝Ａ＾，Ａ为汽蚀面积，ｍ　；＾为汽蚀　深度，ｍｍ；Ｔ为泵的有效运行时间，ｈ；Ｆ为检测部件　汽蚀检测面的总面积，ｍ　。　平板直升快速钢闸门断流．辅机系统有供、排水系　统、润滑油及高压油系统．淮安三站设计运行水位组　合见表１．　表１淮安三站设计运行水位组合　淮安三站自１９９７年６月建成投运，至２００４年９　月已安全运行５０　６７０台时，其中抽水２１　５７０台时，　共抽水约２．７×１０　ｍ　，累计发电９．３×１０　ｋＷ・ｈ．　为保证淮北地区的灌溉、抗旱、排涝和大运河航运等　方面用水，发挥了巨大的经济和社会效益。　２　淮安三站贯流泵汽蚀检测以及初步　分析　淮安三站１号、２号机组在抗旱抽水季节，下游　水位经常处于设计水位以下，据统计１９９９年至　２００２年间共计抽水６１２　ｄ，其中低于下游设计水位　的时间占５７％，并且最低水位在２００１年６月达到　４．９１　ｍ，低于设计水位１　ｍ多，但抗旱紧张时仍须服　从水情需要坚持运行．考虑到淮安三站１号和２号　机组运行性能不断下降情况，分别于２００３年１Ｏ月　和２００４年１Ｏ月对２号机组和１号机组进行计划性　解体大修．在２号机组解体后，发现叶轮汽蚀较为严　重，随后对水泵汽蚀情况进行了全面检测．从２号机　组转轮叶片表面可看出汽蚀状况，主要是分布在叶　片出口边和进口边工作表面上，而不是在叶片背面，　并且每个叶片汽蚀程度也不一样，但每个叶片出口　边（相对水泵工况）汽蚀均比进口边严重（见图１），　转轮室的汽蚀相对较轻微．　为了分析叶片汽蚀程度及原因，对叶片表面汽　蚀部位进行测量，测量结果参见图２，图中括号内为　空蚀深度，单位为ｍｍ．测量结果和汽蚀指数情况见　表２，其中汽蚀指数计算公式由下式表示…：　＝　（１）　图　转轮叶片表面汽蚀状况　图２　叶片表面汽蚀部位示意图　根据计算结果，淮安三站水泵叶片汽蚀程度在　Ⅲ～Ⅳ级范围内，即：　Ⅲ级　Ｋ＝（０．１１５～０．５５７）×１０　Ⅳ级　Ｋ＝（０．５５７～１．１５）×１０　叶片表面汽蚀最大深度为１５　ｍｍ，达到检测部　件厚度的５０％，其中最大汽蚀面积占检测总面积的　３３％，可认为汽蚀程度为严重．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　须伦根等：大型可逆式贯流泵的汽蚀检测及原因探析　３１　叶片与转轮室之间的间隙最大达到６．６　ｍｍ，平均　ｍｍ的要求．间隙最大不均匀度为１４．９８％，但仍在允许　间隙为５．７４　ｍｍ，其间隙绝对值超过厂家所规定的３．５　范围１５％～２０％之内，间隙汽蚀较为轻微　引．　表２叶片汽蚀检测和计算成果表　在１号机组解体后，发现叶轮汽蚀情况与２号　和汽蚀．　机组有相似特点．１号机组的４个叶片进出水边同　图３为水泵一水轮机工况叶片进口流动变化　样都有一条长三角形汽蚀带，主要是分布在叶片出　示意图．图中Ａ点为水泵工况进口边，　点为水轮机　口边和进口边工作表面上，边宽２０～３０　ｃｍ，高　工况进口边．因为叶片是按水泵工况设计，则　点是　６０　ｃｍ，单个叶片汽蚀面积达０．１５　ｍ　．　水泵工况出口边设计，厚度比进口边薄，对水泵工况　构成比较良好的流线型状态．随着水泵工况的变化，　３淮安三站水泵水轮机运行工况分析　在一定范围内对水流的影响比较小．反之，对水轮机　工况而言，　点成为水轮机工况的进口边，由于叶　淮安三站为国内首先使用灯泡贯流可逆式机　片厚度减薄缘故，　点对进水绕流便构成尖角．水　组，该机组既可以抽水又兼顾发电两种运行工况使　轮机工况变化时，水流绕过８点引起急剧变化，破坏　用，转轮及导叶均按抽水工况设计，机组转速与转轮　水流稳定流动产生漩涡，容易引起空化、汽蚀和振动　直径等参数也是按水泵工况计算确定，根据理论分　现象．从对该机组进行的振动测试结果看，发电工况　析，在最优工况下，水泵一水轮机之间的参数关系可　比抽水工况的振动幅值要大，也同时证明了上述分　用下式表示　：　析结果．　ｎｐ＝　￣／　ｃ　２　叩Ｐ　式中ｎ　为水泵转速；　为水轮机转速；叩　为水泵水　力效率；叼　为水轮机水力效率；　为水泵工作扬程；　为水轮机工作水头．　淮安三站ｎ　＝１３６．４　ｒ／ｍｉｎ，水泵设计扬程　＝４．２　ｍ，水轮机运行水头ＨＴ＝２．５～３．０　ｍ，如果　取ＨＴ＝３．０　ｍ，最优工况效率取叩Ｐ＝　＝８５％时，　按上式计算水轮机最优转速ｎ　＝９８　ｒ／ｍｉｎ，反之如　．果取　＝ｎ　，计算得水轮机最优工作水头为ＨＴ＝　５．８　ｉｎ．由此可见，淮安三站水轮机实际运行工况远　图３　水泵一水轮机工况叶片进口流动变化示意图　离了水轮机运行的允许范围，容易引起机组的振动　以淮安三站水轮机工况的运行状态，分析　点　维普资讯 http://www.cqvip.com

３２　排　灌　机　械　第２４卷　附近的水流运动现象．当水轮机处于最优工况运行　在水轮机工况下，其汽蚀难以避免．同样，由于水泵　时，　点的相对速度为　，相对速度方向与ＡＢ线平　工况运行时，下游水位经常处于设计水位以下，因此　行，进口边水流为无撞击进口，水流稳定，水力损失　叶片淹没深度不够，容易产生汽蚀．　较小，水轮机效率较高．当水头降低时，由于机组转　（３）水泵设计上的缺陷进一步加重了汽蚀的程　速不变，即进口速度三角形的圆周速度ｕ　不变，相　度．该站水泵转轮是不可调节的，因此不能根据运行　对速度即变为　，则　，在　点附近产生负冲角，　工况的变化来相应改变叶片角度，使得叶片进口水　即　在叶片背面撞击后再绕过　点进人工作面．　流运动具有较好的流态．另外，叶片材质为普通铸　由于Ｂ点相当于尖角的叶片绕流，在　点水流变化　钢，本身的抗汽蚀能力较差．叶片和转轮室表面虽然　急剧产生空化，最终导致叶片进口边（水轮机工况）　用耐汽蚀涂料进行了抗汽蚀处理，但检修发现耐汽　点附近的工作面发生空化与汽蚀现象．运行水头　蚀涂层已全部剥落，因此不能真正起到保护作用．　越低，负冲角越大，叶片绕流越不理想，对叶片的汽　贯流泵机组泵站具有土建开挖工作量少、进出　蚀及水力振动就越大．　水流道平直的独特优点，因此贯流泵非常适合于低　另外，从叶片汽蚀现象可观测到叶片头部Ａ点　扬程、大流量泵站．但由于国内尚无其他安装并投运　附近也有汽蚀存在，但汽蚀程度比出口边轻得多，主　的同类机型的大型泵站，因此对它的汽蚀等性能研　ｒ；ｒ；ｌ　２　３　４　５　６要原因是转轮设计及机组参数的确定都是按照水泵　究尚不够全面．对淮安三站的汽蚀检测和分析，可为　ｉ　］　］　］工况计算的，这就保证了在水泵运行范围内，转轮的　类似贯流泵机组泵站的建设与管理提供借鉴，为泵　水流运动具有较好的流态．同样分析可以说明，水泵　站的安全运行管理提供参考．　工况经常是在低于该型号转轮的设计工况下运行，　属于在扬程相对偏低、流量偏大的情况下运行，从而　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　造成进口边附近工作面也有汽蚀现象．　沙锡林，陈新方．贯流式水电站［Ｍ］．北京：中国水利　水电出版社，１９９９：１５—３０．　４结语　陈贤源，等．水泵机组的振动分析及故障诊断［Ｊ］．农　业工程学报，１９９７，３（１）：９２—９６．　通过对淮安三站转轮叶片的汽蚀检测和运行工　李继珊．泵站测试技术［Ｍ］．北京：水利水电出版社，　１９８６：６—２０．　况分析，可以得出以下结论：　水轮发电机组安装技术规范．ＧＢ８５６４—８８．１９９８：１２　（１）水泵叶片表面汽蚀主要是分布在叶片出口　—３０．　边和进口边工作表面上，而不是在叶片背面发生汽　王继光．水泵汽蚀危害及抗汽蚀修补措施［Ｊ］．排灌　蚀．每个叶片汽蚀程度不同，但叶片出口边（相对水　机械，２００４。２２（１）：３３—３４．　泵工况）汽蚀均比进口边严重，转轮室的汽蚀比较　张仁田．贯流式机组在南水北调工程中的应用研究　轻微，水泵叶片汽蚀程度在Ⅲ～Ⅳ级范围内．　［Ｊ］．排灌机械，２００４，２２（５）：ｌ一６．　（２）对于淮安三站这种可逆式水泵机组来说，　肖庆荣．水泵汽蚀的危害及预防［Ｊ］．排灌机械，２００３，　设计时主要考虑保证水泵运行较优，一般难以保证　２ｌ（５）：２９—３０．　水轮机在较高水头下运行，即较优工况下运行，因此　（责任编辑侯素娟）　（上接第２８页）　我国泵行业制订《回转动力泵水力性能验收试验１级和２级》国家标准，规定了回转动力泵水力性能验　收试验，适用于任何尺寸的泵和任何性质如同清洁冷水的输送液体。本标准包括两种测量精度等级：１级用　于较高的精度，２级用于较低的精度。这些等级包含不同的容差系数值、容许波动值和测量不确定度值。本　标准既适用于不带任何管路附件的泵本身，又适用于连接上全部或者上游和／或下游管路附件的泵组合体。　本标准与旧标准（ＧＢ　３２１６—１９８９）相比，在结构、名称、范围和技术要素部分都作了较大的改动。在泵　性能判定和换算的方法等方面变动较突出的地方，有下列几个主要方面，即引入新的性能容差系数值，以尽　可能保证按前标准检查可验收的泵按新标准也会获得通过；采用新的性能判定方法；泵性能容差只与制造误　差有关，不包括测量误差；泵试验结果换算到保证条件的方法；叶轮削减（切割）后性能换算新方法以及汽蚀　余量的容差等。　（下转第３６页）　ｒ【　　　７　］