大型低扬程水泵机组结构分析比较研究

　　近年来,我国开发出了一系列高性能低扬程泵的水力模型^[1] ,其性能指标已达到国际先进水平。但忽视了对大泵机组结构功能的研究,有些泵站机组结构功能设计选用不合理, 经常发生故障,个别泵站甚至建成数年一直不能正常运行,影响功能的发挥。在即将开工兴建的南水北调等重点工程泵站的建设和20 世纪60～70 年代建设的大型泵站更新改造中, 应特别注意对泵机组的结构功能的研究, 有必要对我国大型低扬程水泵机组结构功能特点进行分析和比较。

1、大型低扬程水泵机组基本结构形式

1.1、水泵结构形式

　　大型低扬程水泵大多采用轴流式叶轮, 仅有6HL 、3HL 、1400HL216 等少数几种泵型采用混流式叶轮。叶轮直径D=1.20～5.70m,单泵流量Q =5.0～97.5m3/ s ,配套功率N=500～7000kW,额定转速n=250～75r/min ,单站台数2～20台。

　　大型低扬程水泵机组结构形式多样。按轴线形式,有立式(弯管式、井筒式、圬工式、双蜗壳式、箱涵式及抽芯式) 、斜式(15°、30°、45°) 和卧式(平面S 式、水平轴伸式、猫背式及贯流泵机组) 等。

　　立式弯管式水泵特点是有一60°金属弯管,在弯管上部和导叶体内设有2 只导轴承,适用于叶轮直径D = 1.20～2.00m 的水泵。立式圬工式水泵的出水弯管用钢筋混凝土现场浇筑而成,泵轴穿出处设有密封,采用的水泵有D =2.80、4.00、4.50m 轴流泵、D = 2.85、5.70m 双蜗壳式混流泵。立式井筒式水泵安装在现浇混凝土井筒内,所有部件均可由井筒吊入安装,上部金属泵盖与井筒配合形成弯管。其中,叶轮外壳、进水伸缩节及导叶体的下半部分裸露在水泵层的结构称半井筒式,目前有D = 2.00、3.10m 轴流泵采用;水泵全部包围在井筒内的结构,称全井筒式。立式箱涵式水泵是近年来发展起来的, 它适用于内外水位变化频繁、高低交错的沿江圩区特低扬程双向双层流道泵站,这种结构上下层流道仅有一板所隔,可以提灌和提排,也可利用底层流道自流灌溉和排涝。在泵轴穿出上层流道处设有泵盖和密封,与井筒式相似。

　　SEZ 系列混流泵采用了立式抽芯整体吊装式结构, 这种结构适用于D ≤2.20m 的中型导叶式混流泵。

　　大型斜式和卧式水泵外壳部件一般采用铸钢或铸铁件, 常做成上下对开式, 以便于安装与检修。考虑到出水流道等站房结构布置,电机体积不允许过大,只能采用体积小、极数少、转速高的同步电机,需设齿轮箱变速。

1.2、电机结构形式

　　我国采用同步电机,型式有立式电动机、立式可逆双速电机、立式双速电动机、斜式或卧式电动机等。斜式和卧式电机体积小,转速高,为整体式结构,安装简便,与水泵之间设有变速装置,电机不承受轴向水推力。立式直联电机体积大,出为分散式结构,需在泵站进行部件组合安装,安装要求高,技术性强^[2] 。2800kW以上的立式电机在下机架上设有制动与顶车装置,5000kW及以上的立式电机推力轴承设有液压减载装置, 并采用空气冷却器封闭通风结构。

2、大型低扬程水泵机组结构功能分析比较

2.1、安全稳定性

　　轴流泵与混流泵整个流量范围内的特性差异很大。叶片角度一定,混流泵高效区宽于轴流泵。轴流泵接近零流量时,扬程和功率很大,约为设计值的2～3倍,且小流量区(高扬程) 运行不稳定,起动扬程高、功率大,易振动,用闸门或快速闸门断流时,停机门体下降时刻和速度难以控制,容易造成闭阀运行而过载,或倒转飞逸,影响机组和泵站安全。混流泵Q —N 曲线比较平缓, 机组起动和停机断流比较容易。在扬程、过流面积、流速相同的情况下,导叶式混流泵叶轮产生的轴向水推力小于轴流式叶轮,电机推力轴承荷载较小。采用拍门断流的泵站,拍门长期浸没在水下,受出水的冲击摆动, 门铰容易锈蚀和疲劳破坏而致拍门冲落,造成停机倒流;拍门关闭对流道出口的撞击力很大;出水池泥沙淤积阻碍拍门开启,容易造成机组起动过载(如江西八里湖泵站) 。这些都会影响工程和机组安全。

　　进水流道(特别是双向进水流道) 设计不合理,流态紊乱,容易形成涡带,加重汽蚀和振动;双向出水流道也容易造成机组振动^[3] ;虹吸出水流道挟气能力不够,容易长期存气,振动不止。

2.2、可靠耐久性

　　(1) 单站机组台数与容量。泵站装机流量一定,机组台数取决于单机容量。机组大, 效率高,但站房基础开挖深。部件体积大, 制造、安装、检修和运输困难, 有些关键部件技术性能不过关。单站台数过少,运行保证率低。若仅设2 台机组,1台发生故障后, 抽水量仅为50%;若1 台备用,则机组过大, 造成浪费。相反, 泵站装机容量小、台数过多,则运行管理不便,站房太长,占地面积大,前池和出水池开挖长度大,增加土建投资。

　　(2) 水泵导轴承失效问题。巴氏合金导轴承承载能力大,但结构复杂,特别是水密封结构不可靠,大量漏水进入导叶体轮毂腔, 容易进入油轴承,常常是机组还未到大修时间,甚至刚安装运行不久,由于浸水,轴承和轴颈严重拉毛、剥落,间隙增大,导致叶片碰壳。据江苏省江都抽水站不完全统计,所有大泵油轴承都浸过水,单站平均每年发生4.8 次以上, 10 年内单泵最多发生18 次之多^[4] 。

　　非金属水润滑导轴承不存在浸水受损问题,但承载能力低, 用于卧式和斜式泵时, 工作荷载大,易因偏磨而损坏,寿命短。如浙江盐官下河斜15°水泵P24 酚醛塑料轴承运行寿命只有数百小时;江苏新夏港斜30°水泵P23 酚醛塑料轴承清水润滑,运行300h , 轴承及轴颈出现明显偏磨和凹痕,运行500h ,磨损0.5mm,停止运行,以防叶片碰壳。对大型斜式和卧式水泵,金属导轴承易浸水失效,非金属轴承寿命又短,故其可靠性和耐久性较差。

　　立式泵导轴承虽然工作荷载小, 非金属导轴承采用河水润滑,或采用清水润滑,但密封结构不可靠时,河水中的泥沙进入轴承间隙,经轴颈的挤压嵌入轴承,磨损轴颈,被磨毛糙的轴颈反过来加速轴承的磨损,恶性循环,轴承磨损加剧,轴颈面层很快大片剥落,叶片间隙增大,造成叶片碰壳。

　　(3) 水泵汽蚀。nD 过大,安装高程过高,进水流道设计不合理,都会加重水泵汽蚀。翼型汽蚀和间隙汽蚀严重时,过流表面成蜂窝状,叶片边缘剥落,间隙增大,效率降低,甚至外壳穿孔,汽蚀处理频繁,影响机组的耐久性。

　　(4) 电机故障。推力轴承是立式电机最关键的易磨易损部件,轴瓦烧损是常见故障,占电机故障的70 %～80%。安装质量差、运行扬程高是直接原因, 其根本原因是轴承过载和结构不合理。据统计,轴承荷载率ε> 019 时容易烧瓦, 而ε<018 很少出现烧瓦事故^[5] 。