大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)分析比較研究|資料

簡述了我國大型低揚程水泵及配套電機的結(jié)構(gòu)功能形式，從安全性、穩(wěn)定性、可靠性、耐久性、安裝性、維修性和系統(tǒng)效率等方面，對各種結(jié)構(gòu)功能進行了全面比較，分析了關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)故障失效機理，提出了機組結(jié)構(gòu)設(shè)計、選用采取的對策。

近年來，我國開發(fā)出了一系列，低揚程泵的水力模型，其性能指標(biāo)已達到國際 水平。但忽視了對大泵機組結(jié)構(gòu)功能的研究，有些泵站機組結(jié)構(gòu)功能設(shè)計選用不合理，經(jīng)常發(fā)生故障，個別泵站甚至建成數(shù)年一直不能正常運行，影響功能的發(fā)揮。在即將開工興建的南水北調(diào)等重點工程泵站的建設(shè)和20世紀(jì)60～70年代建設(shè)的大型泵站更新改造中，應(yīng)特別注意對泵機組的結(jié)構(gòu)功能的研究，有必要對我國大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)功能特點進行分析和比較。

1、大型低揚程水泵機組基本結(jié)構(gòu)形式

1.1、水泵結(jié)構(gòu)形式大型低揚程水泵大多采用軸流式葉輪，僅有6HL、3HL、1400HL216等少數(shù)幾種泵型采用混流式葉輪。葉輪直徑D=1.20～5.70m，單泵流量Q=5.0～97.5m3/s，配套功率N=500～7000kW，額定轉(zhuǎn)速n=250～75r/min，單站臺數(shù)2～20臺。

大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)形式多樣。按軸線形式，有立式（彎管式、井筒式、圬工式、雙蝸殼式、箱涵式及抽芯式）、斜式（15°、30°、45°）和臥式（平面S式、水平軸伸式、貓背式及貫流泵機組）等。

立式彎管式水泵特點是有一60°金屬彎管，在彎管上部和導(dǎo)葉體內(nèi)設(shè)有2只導(dǎo)軸承，適用于葉輪直徑D=1.20～2.00m的水泵。立式圬工式水泵的出水彎管用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑而成，泵軸穿出處設(shè)有密封，采用的水泵有D=2.80、4.00、4.50m軸流泵、D=2.85、5.70m雙蝸殼式混流泵。立式井筒式水泵安裝在現(xiàn)澆混凝土井筒內(nèi)，所有部件均可由井筒吊入安裝，上部金屬泵蓋與井筒配合形成彎管。其中，葉輪外殼、進水伸縮節(jié)及導(dǎo)葉體的下半部分裸露在水泵層的結(jié)構(gòu)稱半井筒式，目前有D=2.00、3.10m軸流泵采用；水泵全部包圍在井筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)，稱全井筒式。立式箱涵式水泵是近年來發(fā)展起來的，它適用于內(nèi)外水位變化頻繁、高低交錯的沿江圩區(qū)特低揚程雙向雙層流道泵站，這種結(jié)構(gòu)上下層流道僅有一板所隔，可以提灌和提排，也可利用底層流道自流灌溉和排澇。在泵軸穿出上層流道處設(shè)有泵蓋和密封，與井筒式相似。

SEZ系列混流泵采用了立式抽芯整體吊裝式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適用于D≤2.20m的中型導(dǎo)葉式混流泵。

大型斜式和臥式水泵外殼部件一般采用鑄鋼或鑄鐵件，常做成上下對開式，以便于安裝與檢修。考慮到出水流道等站房結(jié)構(gòu)布置，電機體積不允許過大，只能采用體積小、極數(shù)少、轉(zhuǎn)速高的同步電機，需設(shè)齒輪箱變速。

1.2、電機結(jié)構(gòu)形式我國采用同步電機，型式有立式電動機、立式可逆雙速電機、立式雙速電動機、斜式或臥式電動機等。斜式和臥式電機體積小，轉(zhuǎn)速高，為整體式結(jié)構(gòu)，安裝簡便，與水泵之間設(shè)有變速裝置，電機不承受軸向水推力。立式直聯(lián)電機體積大，出為分散式結(jié)構(gòu)，需在泵站進行部件組合安裝，安裝要求高，技術(shù)性強[2].2800kW以上的立式電機在下機架上設(shè)有制動與頂車裝置，5000kW及以上的立式電機推力軸承設(shè)有液壓減載裝置，并采用空氣冷卻器封閉通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

2、大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)功能分析比較

2.1、安全穩(wěn)定性軸流泵與混流泵整個流量范圍內(nèi)的特性差異很大。葉片角度一定，混流泵高效區(qū)寬于軸流泵。軸流泵接近零流量時，揚程和功率很大，約為設(shè)計值的2～3倍，且小流量區(qū)（高揚程）運行不穩(wěn)定，起動揚程高、功率大，易振動，用閘門或快速閘門斷流時，停機門體下降時刻和速度難以控制，容易造成閉閥運行而過載，或倒轉(zhuǎn)飛逸，影響機組和泵站安全。混流泵Q—N曲線比較平緩，機組起動和停機斷流比較容易。在揚程、過流面積、流速相同的情況下，導(dǎo)葉式混流泵葉輪產(chǎn)生的軸向水推力小于軸流式葉輪，電機推力軸承荷載較小。采用拍門斷流的泵站，拍門長期浸沒在水下，受出水的沖擊擺動，門鉸容易銹蝕和疲勞破壞而致拍門沖落，造成停機倒流；拍門關(guān)閉對流道出口的撞擊力很大；出水池泥沙淤積阻礙拍門開啟，容易造成機組起動過載（如江西八里湖泵站）。這些都會影響工程和機組安全。

進水流道（特別是雙向進水流道）設(shè)計不合理，流態(tài)紊亂，容易形成渦帶，加重汽蝕和振動；雙向出水流道也容易造成機組振動[3]；虹吸出水流道挾氣能力不夠，容易長期存氣，振動不止。

2.2、可靠耐久性（1）單站機組臺數(shù)與容量。泵站裝機流量一定，機組臺數(shù)取決于單機容量。機組大，效率高，但站房基礎(chǔ)開挖深。部件體積大，制造、安裝、檢修和運輸困難，有些關(guān)鍵部件技術(shù)性能不過關(guān)。單站臺數(shù)過少，運行保證率低。若僅設(shè)2臺機組，1臺發(fā)生故障后，抽水量僅為50%；若1臺備用，則機組過大，造成浪費。相反，泵站裝機容量小、臺數(shù)過多，則運行管理不便，站房太長，占地面積大，前池和出水池開挖長度大，增加土建投資。

（2）水泵導(dǎo)軸承失效問題。巴氏合金導(dǎo)軸承承載能力大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是水密封結(jié)構(gòu)不可靠，大量漏水進入導(dǎo)葉體輪轂腔，容易進入油軸承，常常是機組還未到大修時間，甚至剛安裝運行不久，由于浸水，軸承和軸頸嚴(yán)重拉毛、剝落，間隙增大，導(dǎo)致葉片碰殼。據(jù)江蘇省江都抽水站不完全統(tǒng)計，所有大泵油軸承都浸過水，單站平均每年發(fā)生4.8次以上，10年內(nèi)單泵最多發(fā)生18次之多[4].

非金屬水潤滑導(dǎo)軸承不存在浸水受損問題，但承載能力低，用于臥式和斜式泵時，工作荷載大，易因偏磨而損壞，壽命短。如浙江鹽官下河斜15°水泵P24酚醛塑料軸承運行壽命只有數(shù)百小時；江蘇新夏港斜30°水泵P23酚醛塑料軸承清水潤滑，運行300h，軸承及軸頸出現(xiàn)明顯偏磨和凹痕，運行500h，磨損0.5mm，停止運行，以防葉片碰殼。對大型斜式和臥式水泵，金屬導(dǎo)軸承易浸水失效，非金屬軸承壽命又短，故其可靠性和耐久性較差。

立式泵導(dǎo)軸承雖然工作荷載小，非金屬導(dǎo)軸承采用河水潤滑，或采用清水潤滑，但密封結(jié)構(gòu)不可靠時，河水中的泥沙進入軸承間隙，經(jīng)軸頸的擠壓嵌入軸承，磨損軸頸，被磨毛糙的軸頸反過來加速軸承的磨損，惡性循環(huán)，軸承磨損加劇，軸頸面層很快大片剝落，葉片間隙增大，造成葉片碰殼。

（3）水泵汽蝕。nD過大，安裝高程過高，進水流道設(shè)計不合理，都會加重水泵汽蝕。翼型汽蝕和間隙汽蝕嚴(yán)重時，過流表面成蜂窩狀，葉片邊緣剝落，間隙增大，效率降低，甚至外殼穿孔，汽蝕處理頻繁，影響機組的耐久性。

（4）電機故障。推力軸承是立式電機最關(guān)鍵的易磨易損部件，軸瓦燒損是常見故障，占電機故障的70%～80%.安裝質(zhì)量差、運行揚程高是直接原因，其根本原因是軸承過載和結(jié)構(gòu)不合理。據(jù)統(tǒng)計，軸承荷載率ε>019時容易燒瓦，而ε<018很少出現(xiàn)燒瓦事故[5].

立式機組電機位置高，運行環(huán)境與通風(fēng)散熱條件好。采用自然空氣靠轉(zhuǎn)子磁軛上下風(fēng)扇造成的壓力或風(fēng)機形成的真空迫使熱空氣從定子出風(fēng)洞流出，外界冷空氣經(jīng)上下通風(fēng)口進入補充，空氣中的大量灰塵與油缸內(nèi)潤滑油因溫度升高和擾動而汽化的油霧混合，積聚在定子鐵芯線圈上及通風(fēng)槽內(nèi)，嚴(yán)重影響散熱和絕緣，往往迫使電機提前大修，清洗工作量很大。

貫流泵機組長期浸沒在水下，燈泡體內(nèi)壁結(jié)露很難解決，環(huán)境濕度大，密封絕緣要求高，可靠性較差。

2.3、安裝檢修性大型水泵機組安裝要素有高程、水平、中心、同心、擺度、軸承受力、間隙等[6].ZL13.5-8配1600kW電機、2.8ZLQK-7.0配TDL325/56-40電機等機組結(jié)構(gòu)不合理，機組部件不能按正常程序安裝，安裝質(zhì)量不能保證。斜式、臥式機組安裝盤車?yán)щy，軸線擺度難以測量調(diào)整。貫流泵、箱涵式水泵、全井筒式水泵外部空間小，安裝操作困難，水泵故障及汽蝕不易發(fā)現(xiàn)，檢修需要拆卸電機和水泵的大部分部件，工作量大。立式圬工式水泵導(dǎo)葉體及以下部件需從泵站專用吊物孔吊入并經(jīng)水泵層運輸通道移至機坑安裝，安裝檢修性差。

立式半井筒式水泵所有部件均可由井筒吊裝，機組四周操作空間大，安裝性好；打開井筒和泵蓋進人孔可對導(dǎo)軸承檢修或更換。拆開縱向?qū)﹂_式葉輪外殼，水泵葉輪完全可見。易損件拆裝工作量小，檢修費用少，檢修性好。無液壓減載裝置的大型立式機組需要25～35人盤車，勞動強度大；無頂車裝置的立式電機安裝及起動前需在下機架上放置4只千斤頂頂車，空間小，操作困難。

2.4、工況可調(diào)性采用直聯(lián)傳動便于設(shè)置葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)，可調(diào)性好。大型水泵變工況目的有三：實現(xiàn)經(jīng)濟運行、減小起動功率縮短起動時間（限運行全調(diào)節(jié)）、調(diào)節(jié)流量。半調(diào)節(jié)只是增加水泵的適用范圍，不能用于調(diào)節(jié)工況。油壓全調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)力大，工作可靠，但油壓裝置系統(tǒng)復(fù)雜；機械全調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，輔助設(shè)備簡單，是發(fā)展方向，但故障多，可靠性差。泵站應(yīng)根據(jù)實際情況選擇葉片調(diào)節(jié)方式[7].采用雙速電機，水泵具有兩個揚程不同的高效區(qū)，泵站可以根據(jù)不同季節(jié)的揚程改變電機接線，改變轉(zhuǎn)速，達到經(jīng)濟運行的目的。

2.5、經(jīng)濟合理性立式機組站房高度大；斜式和臥式機組站房高度小，但寬度增加。立式泵流道轉(zhuǎn)彎多，流動水頭損失大；斜式和臥式泵流道轉(zhuǎn)彎少，水流方向變化小，特別是貫流泵，水流方向基本不變，水力損失小。單從能量角度（系統(tǒng)效率）考慮，電機效率和水泵泵段效率相同時，貫流泵裝置最優(yōu)，其它臥式和斜式裝置次之，立式裝置效率較低。考慮到非立式裝置間接傳動效率，立式泵系統(tǒng)效率低1%～3%.非立式裝置葉片全調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)置比較困難，對揚程經(jīng)常變化的泵站，立式裝置設(shè)置葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過變角保證系統(tǒng)始終高效運行，系統(tǒng)平均運行效率并不低于斜、臥式裝置。軸線形式、立式水泵結(jié)構(gòu)對比分別如表1、2.

3、大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)設(shè)計選用3.1、合理選用泵型混流泵與軸流泵相比，關(guān)死點功率小，小流量區(qū)運行較穩(wěn)定，閘門斷流不易過載，因此，同等情況下優(yōu)先采用混流泵，可以提高機組的 性和運行穩(wěn)定性。目前用于大型泵站的混流式水力模型較少。最近，江蘇大學(xué)江蘇流體機械研究中心與江蘇省水利廳合作，開發(fā)出了高比轉(zhuǎn)數(shù)導(dǎo)葉式斜流泵211水力模型。該模型最高效率為85.3%，效率大于83%的性能范圍為：Q=0.26～0.47m3/s，H=4.6～9.2m，ns=650～950.研究結(jié)果表明：211模型與軸流泵模型相比，具有3大特點：（1）高效范圍非常廣；（2）小流量區(qū)域的不穩(wěn)定性能顯著減輕；（3）能適應(yīng)揚程變化很大的場合。綜合考慮制造、安裝、管理、技術(shù)條件成熟和抽送每千噸米水單位造價等因素，葉輪直徑D=2.8～3.1m左右，單機配套功率N=1000～3000kW左右，單站臺數(shù)3～8臺較為合適，重要工程應(yīng)考慮每站設(shè)置1臺備用機組。

3.2、合理設(shè)計、選用機組結(jié)構(gòu)機組型式、結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計和選用要兼顧可靠耐久性、安裝檢修性和經(jīng)濟合理性。對年運行時間長的重要泵站，如南水北調(diào)東線工程，年均運行時間達5000～6000h，某一泵站發(fā)生問題，將影響整個調(diào)水線路的正常運行，因此，機組 性是第一位的。立式半井筒式泵機組具有較好的可靠耐久性、安裝維修性和工況可調(diào)性。采用護管式清水潤滑軸承[9]，可以保證泥沙不進入軸承，使用壽命可以超過40000h.

通過對軸承荷載的分析，提高機組制造安裝質(zhì)量，安裝時盡量使各因素引起的分荷載相互抵消，可以減小軸承荷載，延長使用壽命，提高可靠耐久性[10].考慮到1臺機組大修1次需2～4萬元，與其它方案相比，本方案所節(jié)省的機組維修費用、靈活的工況調(diào)節(jié)節(jié)省的運行費用及因設(shè)備完好率的提高產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益遠遠超過增加的設(shè)備和工程投資。

抽芯立式混流泵機組安裝簡便，適用于揚程較高的泵站，但其檢修性一般。由于采用了較新的陶瓷軸承，轉(zhuǎn)速很高，葉輪nD值較大，可靠耐久性和汽蝕性能需經(jīng)時間的檢驗。對年運行時數(shù)極短的排澇泵站，考慮到節(jié)省土建、施工和設(shè)備投資，亦可采用斜式或臥式結(jié)構(gòu)，但每年至少需要對水泵導(dǎo)軸承檢修或更換1次，且要冒水泵軸承故障的風(fēng)險。因此不作推薦。

軸流泵最好采用虹吸出水流道真空破壞閥斷流；為節(jié)省工程量，混流泵宜采用快速閘門斷流，或采用簡單的卷揚式閘門斷流，但需經(jīng)驗證。合理設(shè)計進水流道，對相關(guān)過流部件表面進行粉末噴涂等預(yù)處理[11]，可以提高抗汽蝕性能；葉片表面敷貼不銹鋼皮，外殼內(nèi)表面中部鑲嵌不銹鋼帶，既可提高抗汽蝕性能，更換又方便、經(jīng)濟。立式電機采用空氣冷卻器封閉風(fēng)道通風(fēng)，可以大大減輕定子油垢積聚，保證散熱和絕緣良好。應(yīng)保證推力軸承荷載率ε<018，必要時可采用彈性金屬塑料瓦[12].采用液壓減載裝置和頂車裝置，可以極大地改善機組的安裝檢修性能。

3.3、合理選用調(diào)節(jié)功能葉片全調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)費用約占泵機組設(shè)備費用的1/4～1/3.對于大葉片角起動困難，泵站揚程經(jīng)常變化的機組，應(yīng)設(shè)置全調(diào)節(jié)機構(gòu)。有些泵型實現(xiàn)變角經(jīng)濟運行，泵裝置效率可以提高5%～10%[13].機械式調(diào)節(jié)機構(gòu)系統(tǒng)緊湊，但需要改進和完善，增大可用調(diào)節(jié)力，減小水泵需要調(diào)節(jié)力，提高可靠性。

水泵葉片調(diào)節(jié)，等效率線基本與Q軸平行，比較適用于流量調(diào)節(jié)。葉片頻繁調(diào)節(jié)，根部與輪轂的密封容易失效而漏油或進水。近年來，德國KSB公司生產(chǎn)的具有可調(diào)前導(dǎo)葉的混流泵等效率線基本與Q—H曲線平行[14]，更適合于揚程變化較大的泵站經(jīng)濟運行，且機構(gòu)簡單可靠，造價低，是發(fā)展方向。

運行時數(shù)較少的排澇泵站，運行費用與設(shè)備投資、特別是排澇社會效益相比為次要因素，只要機組起動沒有問題，可以采用半調(diào)節(jié)或不調(diào)節(jié)葉輪，以節(jié)省設(shè)備費用。如安徽省鳳凰頸排澇泵站雖然水泵較大（D=3.1m），仍采用了半調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；另一座排澇泵站原來采用的是油壓式全調(diào)節(jié)，由于實際運行并不使用，疏于維護，結(jié)果漏油進水，銹蝕嚴(yán)重，現(xiàn)在已改成固定葉片[15].如果泵站揚程變化特別頻繁且年均運行時數(shù)較長，如南水北調(diào)東線工程起點泵站，水位受海潮影響，一天長落兩次，可以采用變頻裝置實現(xiàn)調(diào)速經(jīng)濟運行。雖然變頻裝置費用較高，經(jīng)濟上仍是合理的，技術(shù)上也是可行的，并且還可低速起動減小起動功率，低速停機減小閘門斷流過載的危險。如2000kW變頻裝置設(shè)備及安裝調(diào)試費用約需130萬元，按年運行5000h計算，3～4年所節(jié)省的電費即可收回增加的設(shè)備投資[16].

4、結(jié)論

（1）大型低揚程水泵機組軸線、結(jié)構(gòu)形式、功能復(fù)雜多樣，影響機組的安全穩(wěn)定性、可靠耐久性、安裝檢修性、工況可調(diào)性和經(jīng)濟合理性。關(guān)鍵因素有：泵型、軸線形式、水泵導(dǎo)軸承、水泵汽蝕、斷流方式、電機推力軸承、電機通風(fēng)方式等。

（2）泵站應(yīng)優(yōu)先選用混流泵。斜、臥式水泵導(dǎo)軸承可靠耐久性差；立式半井筒式泵機組具有較好的綜合性能；水泵葉片與外殼采用不銹鋼材料，抗汽蝕性能明顯增強，運行時數(shù)多的重點泵站應(yīng)優(yōu)先采用。

（3）軸流泵采用虹吸出水流道真空破壞閥斷流比較安全；混流泵采用閘門斷流，可以減少工程投資，提高裝置效率。

（4）立式電機應(yīng)設(shè)置必要的輔助安裝功能，采用封閉風(fēng)道、空氣冷卻器通風(fēng)方式。

（5）年運行時數(shù)多、揚程變化頻繁的泵站，可以考慮采用變頻調(diào)速經(jīng)濟運行。相反，年運行時數(shù)少的排澇泵站，宜采用結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉的半調(diào)節(jié)水泵機組。

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