南水北调淮安二站4500ZLQ60-4.89泵设计改进探讨

    王玉心、徐阳、罗研、王俊华

 

（上海凯泉泵业集团有限公司，201805，上海）

摘要：南水北调东线一期工程江苏省淮安二站是改造型泵站，新的水泵在设计生产过程中要充分考虑与泵站原有的预埋件、进出水流道的配合安装，新的水泵使用了最新的水力模型，并对新的模型进行了优化设计，装置模型试验已通过验收，各水力性能均达到了要求，在产品结构上对导叶体内导轴承的润滑系统进行了改进，同时为了安装更加方便，增加了进水伸缩节部件。

关键词：淮安二站；模型泵；导叶体；进水伸缩节；设计改进

江苏省淮安二站位于淮安市楚州区南郊三堡、京杭大运河和苏北灌溉总渠的交汇处，是淮安水利枢纽工程的重要组成部分，也是南水北调的第二级泵站之一。该站与淮安一站、三站和淮安四站共同抽引江都站和宝应站输送的长江水入苏北灌溉总渠，输送至淮阴站下，满足南水北调东线第一期工程第二、第三梯级抽水300 m³/s的规划目标。

淮安二站改造工程的设计规模为120m³/s,设计净扬程为4.89m，装有2台套立式液压全调节轴流泵，泵的叶轮直径4.5m，单机流量60m³/s,配套5000kW立式同步电机，电机和水泵直连，电机额定电压6kV,额定转速93.8r/min。经过改造后的4500ZLQ60-4.89泵要求具有较宽的高效区，及获得较高的加权平均效率，水泵在设计净扬程为4.89m，抽水流量为设计流量60m³/s时，水泵模型装置效率不低于70%，泵站的模型装置加权平均效率不低于70.5%。为此：在选用4.5m大泵模型的时候，就要考虑到旧泵改造的各种复杂因素，努力将改造泵的装置效率尽可能得到提高，改造后的泵与泵站原有土建的预埋件连接顺利的安装要求：

1、模型泵的改进

 淮安二站4.5米大泵是旧泵站改造，其原有的流道不动，水泵层，电机层等高程不变，各土建层中的预埋件不动。要求将新生产的泵能在原泵站基础不变的情况下顺利的安装。在査阅原4.5米大泵的有关资料后知道，原4.5米大泵是有前置导叶的，在前置导叶中设有前导水锥，该导水锥的直径是1950mm。

在设计4.5m泵时，选用的水力模型是扬州大学的，其型号为TJ05-ZL-02,该模型的主要特点是：流量大，叶片厚，由于模型泵的叶片比较厚，在设计大泵后，叶片的强度就会好很多，水泵在日后的运行中，不容易产生叶片振动、断裂等现象，叶片的生产工艺性也比较好。采用该模型的最主要的原因是，该叶片的水力性能比较好，其性能能满足淮安二站最高排涝扬程在6.7米时和最低扬程运行的要求。

该模型泵唯一不足的是：该模型的轮廓比比较小，与原有的4.5米泵的轮廓比不一样，如果将现成的模型按相似换算去设计，就会产生与原来的泵衔接不上或在进水锥管处产生突然收缩的问题，这样对机组的装置效率就会产生严重的影响甚至模型泵装置试验失败。

就这个问题，请教了扬州大学的汤教授和江苏省水利勘测设计院的专家，和扬州大学的汤教授进行了实事求是的分析：

（1）认为 TJ05-ZL-02模型是目前改造淮安二站4.5米泵最理想的水力模型之一,其水力性能，叶片强度都能满足改造泵后的要求。

（2）可以适当的加大TJ05-ZL-02模型泵的轮廓比,以满足改造后的泵与原有泵的连接。

（3）对模型泵加大了轮廓比后的性能进行了定性的分析，认为轮廓比加大后，模型的流量可能会减小，转轮的高效区会偏向高扬程。其实，模型的流量减小，也正是所要追求的，原先4.5米泵的流量是60m³/s,改造后的泵的流量还是60m³/s，而现在的模型泵的流量指标要比原来4.5米泵的模型的流量指标要大的多，所以，在改造4.5米泵时，应该选用模型泵流量指标不是很大的模型泵。

（4）对加大了轮廓比的叶轮、导叶体进行了数模计算。通过公司的数模计算表明，模型的轮廓比在经过修改后，其转轮的水力性能和我们预想的完全相吻，完全可以满足淮安二站4.5米泵改造的需要。

就上述意见在2010年10月19日召开的南水北调东线第一期工程淮安二站改造工程水泵及其附属设备第一次设计联络会上向与会的专家进行了汇报。并得到了与会专家的赞同，随后，请扬州大学的教授实施了对模型泵的修改并请河海大学做了装置模型试验，试验的主要成果如下：

（1）模型最高装置效率为72.69%，对应的叶片安放角为0°，扬程为5.58米，模型流量为0.29m³/s，换算至原型流量为65.31m³/s。

（2）当叶片安放角度为-2°时，模型最高装置效率为72.31%，扬程为5.30米模型流量为0.256m³/s，换算至原型流量59.77m³/s；在设计工况点扬程4.89米时，模型装置效率为72.20%，流量为0.275m³/s，换算至原型流量为61.86m³/s；在平均扬程3.82米时，模型装置效率为70.92%，流量为0.302m³/s换算至原型流量为67.89m³/s。

（3）在叶片安放角度为-2.5°时，调水最高扬程5.06米，模型装置为72.20%，换算至原型流量为59.50m³/s，设计扬程4.89米模型装置效率为72.20%，换算至原型流量为60.3m³/s；平均扬程为3.82米，模型效率为71.00%，换算至原型流量为66.40m³/s，模型装置效率为71.00%，换算至原型流量为66.40m³/s，基本满足招标文件要求。

上述模型装置试验成果，于2011年1月8日在南京通过了江苏省南水北调淮安二站改造工程建设处的验收。

 

 

由此可见，对

4.5米大泵改造的模型泵的改进是成功有效的。

2、导叶体内的导轴承的润滑进水管的改进设计

淮安二站改造后的4500ZLQ60-4.89立式液压全调节轴流泵是采用水润滑橡胶滑动轴承，橡胶轴承的润滑方式是外加压力清水润滑，润滑水的润滑水量为2.5 L/min,润滑水压为0.2 Mpa。原有4.5米大泵的润滑水进水系统是通过一个外加的单独进水管接到橡胶轴瓦的，

原有4.5米大泵的润滑水进水系统如下图：

 

这种进水结构是比较早的一种设计，它主要存在二个问题：

 

（1）进水管置于二个导叶片中间，会影响导叶体内进水的流畅，甚至会影响水泵的装置效率（在模型泵装置试验时是没有该进水管装置的）。

（2）该进水管装好后，经过水泵常年运行出水的强烈冲击和进水管本身的锈蚀，进水管有可能受到损坏，会影响泵的正常使用。

目前，在进水管的设计上有了一些改进，主要是在导叶片的中间，在铸造时就置一个无缝钢管，就是将进水管预置在导叶片中间，这样就可以避免进水管被水冲击和水对进水管的锈蚀。

目前常用的进水管布置在导叶片中的结构形式，如下图：

 

但是，也产生了新的问题：

 

（1）由于进水管比较粗，一般需要6/8吋的进水管，而导叶体的导叶片比较簿，在进水管布置在导叶体内后，在导叶体的局部地方（置进水管的地方）必须要人为的加厚导叶片，才能顺利的铸造叶片。那么，加厚了的导叶片就和模型泵的导叶片不能保证几何相似，就同样会影响泵的装置效率和导叶体内进水的流畅。

（2）在导叶体内装置了进水管，给导叶片的铸造增加了难度，也有可能进水管被铸造时的铁水冲断，造成进水管被阻塞，会影响进水管的进水效果。

在认真分析了上述的各种情况后，进行了改进。

改进后的进水管如下图：

 

在设计中，在导叶片的表面预置一条进水沟，并将该沟在铸件时就铸成，在金加工时将铸件的进水沟打磨光滑，然后，在进水沟的上面焊接一块盖板，焊接好后，再将焊接表面清理干净。

 

改进后的进水管路有如下优点：

（1）导叶片表面型线光顺，对水泵的出水流没有任何影响，也避免了水流对润滑水管的冲力，产品的外观也比较好。

（2）在生产，铸造中，没有任何麻烦，比在导叶片中预埋金属管更容易实现。

（3）此结构简单，密封性强，便于水泵的安装、拆卸、维修。

3、进水伸缩管的设计

原有的4.5米泵是没有进水伸缩管的，其原来的结构是在导叶体和叶轮外壳中间有20毫米厚的一块配制金属垫板，是利用导叶体和叶轮外壳法兰的金属弹性，实现泵的连接和密封。这种连接方式存在一定的缺陷：

（1）配制垫板塞进导叶体和叶轮外壳二法兰后，还是会有一定的间隙存在的，而且，它们之间的接触都是刚性接触，当用螺栓拧紧二金属法兰后，在螺栓的作用力下，导叶体和叶轮外壳二法兰需要承受很大的预应力。同样，水泵层和底板层同样也会有巨大的预应力。

（2）这种结构主要是轴向连接，对径向的压缩力作用不大，所以，对导叶体和叶轮外壳之间的密封不是很有效。从原4.5米泵的现场可以看到，在导叶体和叶轮外壳之间的漏水现象还是很严重的。

在设计4.5米泵的过程中，参阅了有关水泵伸缩节的结构设计结合淮安二站的实际情况，在水泵的叶轮外壳和泵的进水锥管之间增加了一节伸缩管，将伸缩节的位置设计在位于转轮室的下面，具体结构见下图：

 

 

具体设计如下：将进水锥管和进水底座(预埋件)连接，并在进水锥管的上面预留安装O型密封圈的位置，然后压入O型橡胶圈，分半推入进口伸缩节压盖并锁紧螺母。这样考虑，主要有以下好处：

（1）伸缩节采用柔性结构，可以大大减少在预埋件上紧固螺栓的预应力，同时可以减少土建工程的预应力。

（2）结构比较简单，容易实现，为安装水泵带来很多方便。

（3）增加预埋件后，将原先的叶轮外壳的重量减轻了，给泵的生产，泵的运输，都带来了方便。

（4）能非常有效的密封泵的漏水。

结论：在产品设计中选用最新的水力模型，结构进行创新改进，对水泵提高装置效率起到了很好的作用，将对现场安装及日后的大修拆泵提供更大的方便，同时将提高产品使用寿命，值得推广。

 

 

 

参考文献：《轴流泵和斜流泵》中国宇航出版社关醒凡著2009.1

  《泵站工程》中国水利水电出版社严登丰著2005

  《南水北调工程水泵模型同台测试》中国水利水电出版社刘宁、汪易森、张刚主编 2006