袁龍剛

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，廣東 中山 528403)

黃河有三大害：泥沙、柴草、冰凌，尤其以泥沙為首害。自新中國(guó)成立以來(lái)，為了解決黃河沿岸的農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題，黃河沿岸修建了為數(shù)眾多的灌溉泵站，多數(shù)泵站自建成運(yùn)行以來(lái)，深受泥沙危害，黃河干流泥沙多來(lái)自中游段山陜區(qū)間的黃土高原[1]，東雷一期抽黃灌區(qū)東雷一級(jí)泵站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)東雷一級(jí)站)位于黃河干流中游段山陜區(qū)間的下游黃河右岸，受泥沙危害更為嚴(yán)重。筆者針對(duì)在低揚(yáng)程、大流量、揚(yáng)程變幅較大[2]、水源泥沙含量大的東雷一級(jí)站水泵改造中如何有效解決泥沙問(wèn)題進(jìn)行了分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況

東雷一級(jí)站位于東雷一期抽黃灌區(qū)東北部、合陽(yáng)縣東雷村塬下、黃河右岸，為直接抽取黃河水進(jìn)入總干渠灌溉的源頭樞紐站。東雷一級(jí)站原設(shè)計(jì)總裝機(jī)9臺(tái)，總裝機(jī)容量6160kW，設(shè)計(jì)灌溉保證率為75%，設(shè)計(jì)灌溉流量40.0m3/s，加大流量60.0m3/s，為Ⅱ等大(2)型工程。東雷一級(jí)站于1975年8月開(kāi)工建設(shè)，1979年11月建成投入運(yùn)行。

1.1 原設(shè)計(jì)水泵情況

7臺(tái)16CJ-80立式全調(diào)節(jié)軸流泵，其技術(shù)參數(shù)為：Q=7.18m3/s，H=8m，n=250r/min。1～5號(hào)水泵配套TDL215/26-24型800kW立式同步電動(dòng)機(jī)、6～7號(hào)水泵配套TDL215/31-24型800kW立式同步電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：額定功率800kW，額定電壓6kV，額定轉(zhuǎn)速250r/min[3]。

2臺(tái)36ZLB-70立式半調(diào)節(jié)軸流泵，技術(shù)參數(shù)為：Q=1.50m3/s，H=8m，n=490r/min。水泵配套JSL15-12型280kW立式異步電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：額定功率280kW，額定電壓6kV，額定轉(zhuǎn)速490r/min。

1.2 原設(shè)計(jì)水泵存在的主要問(wèn)題

a.水泵下導(dǎo)軸承泥沙磨損嚴(yán)重，檢修頻繁，危及水泵安全運(yùn)行。

圖1為東雷一級(jí)站原水泵的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可看出，其結(jié)構(gòu)和技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很不合理，沒(méi)有采取抗泥沙磨損措施，因而，不能有效防止含沙水流進(jìn)入軸承系統(tǒng)，造成軸套和軸瓦磨損嚴(yán)重，檢修頻繁，大修周期不到1000h。而且檢修時(shí)拆裝十分不便，耗費(fèi)了巨大的人力、物力。

圖1 16CJ-80型水泵結(jié)構(gòu)(高程尺寸：m，其余尺寸：mm)

b.水泵的流道設(shè)計(jì)不夠合理，其過(guò)流面積，特別是導(dǎo)葉進(jìn)口處的過(guò)流面積很小，嚴(yán)重影響水泵的過(guò)流能力和水力效率[4]。該水泵轉(zhuǎn)輪的輪轂直徑達(dá)0.55D1(D1為轉(zhuǎn)輪直徑)，導(dǎo)葉體的輪轂直徑更大，達(dá)0.60D1，因而導(dǎo)葉體的過(guò)流面積更小。在設(shè)計(jì)流量下，導(dǎo)葉進(jìn)口處的軸面流速高達(dá)vm=8.0m/s，影響水泵的過(guò)流能力和水力效率[4]。

c.導(dǎo)葉設(shè)計(jì)不夠合理，且加工粗糙。?導(dǎo)葉長(zhǎng)度徑向分布不合理：導(dǎo)葉段外圓軸向長(zhǎng)度為973mm，而導(dǎo)葉本身的軸向長(zhǎng)度僅為572mm，短401mm，沒(méi)有充分利用其回收轉(zhuǎn)輪出口水流的環(huán)量[5-7]；導(dǎo)葉段內(nèi)圓的軸向長(zhǎng)度為618mm，反而比導(dǎo)葉在外圓的軸向長(zhǎng)度還長(zhǎng)46mm，這顯然是不合理的，其對(duì)導(dǎo)葉的水力性能和強(qiáng)度都不利[7]；?導(dǎo)葉葉片數(shù)過(guò)多，達(dá)12片，造成排擠過(guò)密，使已經(jīng)偏小的過(guò)流面積變得更小，影響過(guò)流能力和水力效率[4]；如果充分利用導(dǎo)葉段外圓的軸向長(zhǎng)度布置導(dǎo)葉，則只需8片導(dǎo)葉就可達(dá)到與原12片導(dǎo)葉相同的葉柵稠密度1/t，這樣，導(dǎo)葉排擠就可減小，水泵的水力性能就能得到改善；?導(dǎo)葉進(jìn)水邊至輪葉出水邊的距離過(guò)大。在葉片角度θ=0°時(shí)，該水泵導(dǎo)葉進(jìn)水邊至輪葉出水邊距離為h=0.17D1，大大超過(guò)了通常h=0.05D1的要求，影響水泵效率[7-8]。

d.水泵葉片葉形欠佳，水力性能較差，且揚(yáng)程比(水泵最大揚(yáng)程，即水泵運(yùn)行特性曲線上馬鞍形最低點(diǎn)的揚(yáng)程Hmax與其最優(yōu)揚(yáng)程Hopt之比)過(guò)小，不適合變揚(yáng)程運(yùn)行。對(duì)揚(yáng)程變幅較大的東雷一級(jí)站，因?yàn)樗媒?jīng)常偏離其高效區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加。

e.水泵出水口筑有防沙墻，人為地抬高了水泵工作揚(yáng)程，嚴(yán)重影響水泵運(yùn)行效率。黃河水泥沙含量大，水泵停機(jī)后，其他機(jī)組的出水口水流會(huì)通過(guò)輸水總干渠進(jìn)入該水泵流道，沉淀的泥沙將拍門(mén)淤死，或者通過(guò)關(guān)閉不嚴(yán)的拍門(mén)進(jìn)入泵體，淤滿進(jìn)水流道，造成機(jī)組不能啟動(dòng)運(yùn)行。為避免發(fā)生上述情況，在水泵出水口筑有一道防沙墻，以切斷含沙水流進(jìn)入停運(yùn)的水泵機(jī)坑。從而導(dǎo)致水泵出水口水流只能翻越防沙墻后才能進(jìn)入輸水總干渠，人為抬高了水泵凈揚(yáng)程1～2m，因而大幅度降低了水泵運(yùn)行效率，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加。

f.水泵出水管出口的面積偏小，出口水流的動(dòng)能沒(méi)有充分回收，影響運(yùn)行效率。該水泵出水管出口拍門(mén)處(因建有防沙墻而取消拍門(mén))的直徑為2m，設(shè)計(jì)流量7.2m3/s時(shí)的流速為2.3m/s，水頭損失超過(guò)0.25m，如果流量達(dá)到8m3/s，則水頭損失超過(guò)0.3m。導(dǎo)致年運(yùn)行小時(shí)數(shù)較高的東雷一級(jí)站運(yùn)行費(fèi)用增加。

g.輪葉根本不能全調(diào)節(jié)，只能做定漿運(yùn)行[9]。原設(shè)計(jì)該型水泵輪葉可全調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為θ=-8°～+8°。但由于沒(méi)有正確的調(diào)節(jié)操作力特性資料，其設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)操作力與實(shí)際需要相差甚遠(yuǎn)，且加工質(zhì)量較差，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也不經(jīng)常動(dòng)作，容易卡死[9]。所以，該水泵輪葉在實(shí)際運(yùn)行中根本不能全調(diào)節(jié)，只能做定漿運(yùn)行[9]。由全調(diào)節(jié)改作定漿運(yùn)行的水泵，其水力性能較原本就是定漿式的水泵差得多，也給安裝、檢修和維護(hù)增加了不少麻煩。

以上問(wèn)題直接或間接由泥沙引起，是造成東雷一級(jí)站水泵運(yùn)行效率低下、泥沙磨蝕嚴(yán)重[10]、檢修頻繁的根本原因。

2 水泵更新改造技術(shù)創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)

由于原設(shè)計(jì)的7臺(tái)16CJ-80立式全調(diào)節(jié)軸流泵存在以上問(wèn)題，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院機(jī)電所和渭南市東雷抽黃灌溉工程管理局合作對(duì)水泵進(jìn)行了兩批次的改造。結(jié)合東雷一級(jí)站的實(shí)際情況，該站水泵改造辦法是保持其基礎(chǔ)部件和配套電機(jī)不動(dòng)，改造水泵技術(shù)供水系統(tǒng)，更換水泵轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室和導(dǎo)葉等關(guān)鍵部件。第一批改造2臺(tái)，2臺(tái)水泵運(yùn)行特性曲線見(jiàn)圖2，2臺(tái)改造水泵分別于1997年和1998年投入運(yùn)行；第二批改造5臺(tái)，5臺(tái)水泵運(yùn)行特性曲線見(jiàn)圖3，5臺(tái)改造水泵分別于2000年和2001年投入運(yùn)行。

圖2 第一批改造的2臺(tái)水泵運(yùn)行特性曲線

圖3 第二批改造的5臺(tái)水泵運(yùn)行特性曲線

2.1 第一次水泵更新改造技術(shù)創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)

a.改變水泵泵段型線(轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉)及其結(jié)構(gòu)。原水泵流道太窄，結(jié)構(gòu)也不合理，不適合抽含沙量大的水流。圖4給出了原水泵和改造水泵的流道型線。

圖4 原水泵和改造水泵的流道型線

b.加設(shè)主軸套管，改造下導(dǎo)軸承的技術(shù)供水系統(tǒng)。該水泵泵體內(nèi)的含沙水流很容易進(jìn)入下導(dǎo)軸承，加設(shè)主軸套管后，水導(dǎo)軸瓦的潤(rùn)滑水由上導(dǎo)進(jìn)入，下導(dǎo)排出[10]，含沙水流完全隔絕在套管之外，從而可完全避免泥沙進(jìn)入軸承，確保主軸不受泥沙磨損破壞[7-8]。

c.改變水泵轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。將轉(zhuǎn)輪全調(diào)節(jié)改為定漿，將球形轉(zhuǎn)輪室和轉(zhuǎn)輪體改為柱形[10]，并將輪轂直徑從0.55D1縮小至0.36D1。圖1展示了改造前水泵的結(jié)構(gòu)，圖5為改造后水泵的結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，該水泵改造后結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流道通暢。

圖5 改造后水泵結(jié)構(gòu)

東雷一級(jí)站裝有大泵7臺(tái)，小泵2臺(tái)，泵站流量完全可用開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，無(wú)須調(diào)節(jié)輪葉角度。且東雷一級(jí)站的全調(diào)節(jié)水泵沒(méi)有正確的調(diào)節(jié)操作力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算加工都比較粗糙，運(yùn)行過(guò)程中，輪葉不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)，操作機(jī)構(gòu)容易被卡死，所以，該水泵只能做定漿運(yùn)行。更由于轉(zhuǎn)輪采用全調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)后，其輪轂直徑必須加大，并須采用球形輪轂體和轉(zhuǎn)輪室，不僅增加了制造、安裝、檢修難度，對(duì)水泵的水力特性也極為不利。東雷一級(jí)站水泵轉(zhuǎn)輪采用定漿結(jié)構(gòu)和柱形轉(zhuǎn)輪室有以下優(yōu)點(diǎn)：?大幅度增大水泵轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉過(guò)流面積，降低流速，增大水泵過(guò)流能力，改善汽蝕性能；?便于安裝、檢修，可將轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙控制在1/1000D1左右，提高水泵容積效率[7-8]。球形轉(zhuǎn)輪室對(duì)轉(zhuǎn)輪的軸向位置要求很高，為安裝方便起見(jiàn)，往往要擴(kuò)大轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙，這對(duì)水泵的能量和汽蝕都不利。而柱形轉(zhuǎn)輪室對(duì)轉(zhuǎn)輪的軸向位置要求不高[7-8]，加工也方便，因而可縮小轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙。

d.將轉(zhuǎn)輪直徑由1540mm加大到1560mm，并把導(dǎo)葉數(shù)從12片減少至8片，從而減少排擠，增大過(guò)流能力。

e.研制效率高、汽蝕性能好的改造用轉(zhuǎn)輪，使其高效區(qū)在東雷一級(jí)站的主要運(yùn)行區(qū)，改善運(yùn)行工況，提高運(yùn)行效率。考慮到泥沙磨損問(wèn)題，水泵應(yīng)有較大的汽蝕余量，避免汽蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用，延長(zhǎng)使用壽命。

f.優(yōu)化設(shè)計(jì)改造水泵導(dǎo)葉，并采用鋼板模壓成型導(dǎo)葉，從而可保證導(dǎo)葉型線準(zhǔn)確，且磨損后易于補(bǔ)焊修復(fù)。

g.降低防沙墻高度。由于防沙墻的阻擋，原水泵的運(yùn)行凈揚(yáng)程必須達(dá)到6m后，水流才能進(jìn)入輸水總干渠，因而泵站運(yùn)行效率降低。改造后水泵出水口的防沙墻高度降低，可使水泵的凈揚(yáng)程降低至5m左右。該水泵停機(jī)，其余水泵運(yùn)行時(shí)，可采用插木板或草袋堵住該水泵防沙墻頂出水口(實(shí)際運(yùn)行是在防沙墻頂安裝簡(jiǎn)易拍門(mén))，防止含沙水流進(jìn)入水泵流道。

h.轉(zhuǎn)輪室改用鋼板焊接。水泵在東雷一級(jí)站的渾水條件下運(yùn)行時(shí)，其過(guò)流部件的泥沙磨蝕是不可避免的，采用鑄鐵件的轉(zhuǎn)輪室，磨蝕后不易修補(bǔ)，只能報(bào)廢。而鋼板焊接的過(guò)流部件，磨蝕后易于補(bǔ)焊修復(fù)，抗磨蝕性能也較鑄鐵件好。

i.改變轉(zhuǎn)輪與主軸連接方式。原設(shè)計(jì)水泵主軸與轉(zhuǎn)輪采用法蘭連接。改造水泵主軸須加設(shè)主軸套管，因此與轉(zhuǎn)輪連接的主軸法蘭必須車(chē)去，改用錐孔和平鍵連接。

2.2 第一次水泵更新改造取得的顯著效果

a.明顯減輕了下導(dǎo)軸承和主軸的泥沙磨損，大大延長(zhǎng)了使用壽命[10]。經(jīng)向泵站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員調(diào)研了解，改造后大修周期可達(dá)5000h。

b.大幅度增大了水泵轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉處的過(guò)流面積，降低了流速，提高了水泵汽蝕性能[5]，較好地避免了汽蝕與泥沙磨損聯(lián)合作用對(duì)過(guò)流部件的破壞[11]。

c.簡(jiǎn)化了水泵結(jié)構(gòu)，易于安裝、檢修和運(yùn)行維護(hù)。

d.鑄鐵材質(zhì)的導(dǎo)葉段和轉(zhuǎn)輪室改成鋼質(zhì)材質(zhì)后，提高了抗磨蝕性能，易于補(bǔ)焊修復(fù)。

2.3 第二次水泵更新改造技術(shù)創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)

2009年2月，陜西省大型灌溉排水泵站安全鑒定專(zhuān)家組對(duì)東雷一級(jí)站的水力機(jī)械安全鑒定結(jié)論為：東雷一級(jí)泵站水泵過(guò)流部件磨蝕嚴(yán)重，幾何形狀改變，大面積出現(xiàn)麻面，出水量小，效率低，已經(jīng)運(yùn)行25年以上，評(píng)定為四類(lèi)設(shè)備。

2009年4月，中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心對(duì)東雷一級(jí)站安全鑒定報(bào)告復(fù)核結(jié)論為：泵站安全類(lèi)別復(fù)核評(píng)定機(jī)電設(shè)備安全類(lèi)別為四類(lèi)，同意進(jìn)行更新改造。

東雷一級(jí)站第二次更新改造經(jīng)泵型比選，最終選用7臺(tái)1600HLB8型混流泵和2臺(tái)900ZLB2.8-6.8型軸流泵。第二次更新改造在吸取第一次改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)水泵的設(shè)計(jì)制造提出以下幾個(gè)方面的要求：

a.原基礎(chǔ)不變，基礎(chǔ)預(yù)埋件不變。

b.更換出水壓力管道及60°彎管。增加剛性伸縮節(jié)，水泵出口與管道安裝部位按照原圖設(shè)計(jì)，誤差可由剛性伸縮節(jié)調(diào)整。

c.主軸使用材質(zhì)：主軸采用40Cr鍛造，主軸與主軸密封及水導(dǎo)軸瓦接觸的部位堆焊不銹鋼耐磨層，耐磨層的硬度遠(yuǎn)高于原來(lái)的不銹鋼軸套，硬度可達(dá)HRc42以上。主軸仍加設(shè)套管，水導(dǎo)軸瓦的潤(rùn)滑水由上導(dǎo)進(jìn)入，下導(dǎo)排出，含沙水流完全隔絕在套管之外，從而避免泥沙進(jìn)入軸承，確保主軸不受泥沙磨損破壞[8]。

d.優(yōu)化水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止軸瓦與軸承筒體在運(yùn)行時(shí)脫落。滑動(dòng)軸瓦設(shè)計(jì)采用COMPAC或橙色PREM復(fù)合材料。

e.下基礎(chǔ)密封采用橡膠材料，增加阻尼作用，減小運(yùn)行時(shí)振幅。

f.7臺(tái)大泵轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為半調(diào)節(jié)導(dǎo)葉式混流泵，轉(zhuǎn)輪室和轉(zhuǎn)輪體為錐球形，轉(zhuǎn)輪段過(guò)流面積較大，過(guò)流能力較強(qiáng)。轉(zhuǎn)輪部件采用整體密封結(jié)構(gòu)，防止泥沙水進(jìn)入后銹蝕軸伸外圓與輪轂內(nèi)圓，同時(shí)防止砂粒進(jìn)入后卡塞配合間隙，設(shè)計(jì)須考慮裝配檢修時(shí)的裝配難度。

g.選用水力性能優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉，以增大導(dǎo)葉段過(guò)流能力。

h.選用耐磨蝕的材質(zhì)，導(dǎo)葉采用不銹鋼單片整鑄[12]。主要過(guò)流部件(輪轂、葉片、轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉體等)選用耐磨蝕的1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，在主要過(guò)流部位超音速HVOF噴涂納米碳化鎢S4020耐磨蝕涂層。

i.水泵過(guò)流部件按高精度零件加工制作[12]。

j.水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要便于安裝及檢修。

k.7臺(tái)大泵的泵段效率η≥89.2%，2臺(tái)小泵的泵段效率η≥85.6%。

l.機(jī)組的裝置效率η≥70%。后經(jīng)水泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證：水泵設(shè)計(jì)工況裝置效率達(dá)79%。

m.水泵須做水泵模型及裝置模型試驗(yàn)。

2.4 第二次水泵更新改造取得的顯著效果

第二次更新改造的9臺(tái)水泵中，有3臺(tái)1600HLB8型混流泵于2020年3月11日投入運(yùn)行，2臺(tái)于2020年5月19日投入運(yùn)行，剩余的2臺(tái)1600HLB8型混流泵和2臺(tái)900ZLB2.8-6.8型軸流泵已安裝完成，于2021年1月26日試運(yùn)行，4臺(tái)機(jī)組試運(yùn)行一切正常。據(jù)管理單位反饋，投入灌溉的5臺(tái)1600HLB8型混流泵，運(yùn)行狀況良好，整體高效。

3 結(jié) 語(yǔ)

東雷一級(jí)站水泵兩次改造的成功經(jīng)驗(yàn)，為一定程度上解決多泥沙河流上的水泵運(yùn)行效率低下、泥沙磨蝕嚴(yán)重、檢修頻繁的問(wèn)題提供了借鑒。以下建議可供同類(lèi)工程參考：

a.水泵整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮防泥沙措施，特別是水泵水導(dǎo)軸承。

b.選用水力性能優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉，以提高水泵效率和汽蝕性能。

c.主要過(guò)流部件選用耐磨蝕的材質(zhì)，在主要過(guò)流部位噴涂耐磨蝕涂層。

d.混流泵相比軸流泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)裝置效率更高。

e.大型水泵須做水泵模型及裝置模型試驗(yàn)。