大型低扬程水泵机组结构分析比较研究.doc

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　　简述了我国大型低扬程水泵及配套电机的结构功能形式，从安全性、稳定性、可靠性、耐久性、安装性、维修性和系统效率等方面，对各种结构功能进行了全面比较，分析了关键部件结构故障失效机理，提出了机组结构设计、选用采取的对策。

　　近年来，我国开发出了一系列高性能低扬程泵的水力模型，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].

　　立式机组电机位置高，运行环境与通风散热条件好。

采用自然空气靠转子磁轭上下风扇造成的压力或风机形成的真空迫使热空气从定子出风洞流出，外界冷空气经上下通风口进入补充，空气中的大量灰尘与油缸内润滑油因温度升高和扰动而汽化的油雾混合，积聚在定子铁芯线圈上及通风槽内，严重影响散热和绝缘，往往迫使电机提前大修，清洗工作量很大。

　　贯流泵机组长期浸没在水下，灯泡体内壁结露很难解决，环境湿度大，密封绝缘要求高，可靠性较差。

　　2.3、安装检修性大型水泵机组安装要素有高程、水平、中心、同心、摆度、轴承受力、间隙等[6].ZL13.5-8配1600kW电机、2.8ZLQK-7.0配TDL325/56-40电机等机组结构不合理，机组部件不能按正常程序安装，安装质量不能保证。

斜式、卧式机组安装盘车困难，轴线摆度难以测量调整。

贯流泵、箱涵式水泵、全井筒式水泵外部空间小，安装操作困难，水泵故障及汽蚀不易发现，检修需要拆卸电机和水泵的大部分部件，工作量大。

立式圬工式水泵导叶体及以下部件需从泵站专用吊物孔吊入并经水泵层运输通道移至机坑安装，安装检修性差。

　　立式半井筒式水泵所有部件均可由井筒吊装，机组四周操作空间大，安装性好;打开井筒和泵盖进人孔可对导轴承检修或更换。

拆开纵向对开式叶轮外壳，水泵叶轮完全可见。

易损件拆装工作量小，检修费用少，检修性好。

无液压减载装置的大型立式机组需要25～35人盘车，劳动强度大;无顶车装置的立式电机安装及起动前需在下机架上放置4只千斤顶顶车，空间小，操作困难。

　　2.4、工况可调性采用直联传动便于设置叶片调节机构，可调性好。

大型水泵变工况目的有三：

实现经济运行、减小起动功率缩短起动时间（限运行全调节）、调节流量。

半调节只是增加水泵的适用范围，不能用于调节工况。

油压全调节调节力大，工作可靠，但油压装置系统复杂;机械全调节结构紧凑，辅助设备简单，是发展方向，但故障多，可靠性差。

泵站应根据实际情况选择叶片调节方式[7].采用双速电机，水泵具有两个扬程不同的高效区，泵站可以根据不同季节的扬程改变电机接线，改变转速，达到经济运行的目的。

　　2.5、经济合理性立式机组站房高度大;斜式和卧式机组站房高度小，但宽度增加。

立式泵流道转弯多，流动水头损失大;斜式和卧式泵流道转弯少，水流方向变化小，特别是贯流泵，水流方向基本不变，水力损失小。

单从能量角度（系统效率）考虑，电机效率和水泵泵段效率相同时，贯流泵装置最优，其它卧式和斜式装置次之，立式装置效率较低。

考虑到非立式装置间接传动效率，立式泵系统效率低1%～3%.非立式装置叶片全调节机构设置比较困难，对扬程经常变化的泵站，立式装置设置叶片调节机构，通过变角保证系统始终高效运行，系统平均运行效率并不低于斜、卧式装置。

轴线形式、立式水泵结构对比分别如表1、2.

　　3、大型低扬程水泵机组结构设计选用3.1、合理选用泵型混流泵与轴流泵相比，关死点功率小，小流量区运行较稳定，闸门断流不易过载，因此，同等情况下优先采用混流泵，可以提高机组的安全可靠性和运行稳定性。

目前用于大型泵站的混流式水力模型较少。

最近，江苏大学江苏流体机械研究中心与江苏省水利厅合作，开发出了高比转数导叶式斜流泵211水力模型。

该模型最高效率为85.3%，效率大于83%的性能范围为：

Q=0.26～0.47m3/s，H=4.6～9.2m，ns=650～950.研究结果表明：

211模型与轴流泵模型相比，具有3大特点：

（1）高效范围非常广;

（2）小流量区域的不稳定性能显著减轻;（3）能适应扬程变化很大的场合。

综合考虑制造、安装、管理、技术条件成熟和抽送每千吨米水单位造价等因素，叶轮直径D=2.8～3.1m左右，单机配套功率N=1000～3000kW左右，单站台数3～8台较为合适，重要工程应考虑每站设置1台备用机组。

　　3.2、合理设计、选用机组结构机组型式、结构、尺寸设计和选用要兼顾可靠耐久性、安装检修性和经济合理性。

对年运行时间长的重要泵站，如南水北调东线工程，年均运行时间达5000～6000h，某一泵站发生问题，将影响整个调水线路的正常运行，因此，机组安全可靠性是第一位的。

立式半井筒式泵机组具有较好的可靠耐久性、安装维修性和工况可调性。

采用护管式清水润滑轴承[9]，可以保证泥沙不进入轴承，使用寿命可以超过40000h.

　　通过对轴承荷载的分析，提高机组制造安装质量，安装时尽量使各因素引起的分荷载相互抵消，可以减小轴承荷载，延长使用寿命，提高可靠耐久性[10].考虑到1台机组大修1次需2～4万元，与其它方案相比，本方案所节省的机组维修费用、灵活的工况调节节省的运行费用及因设备完好率的提高产生的经济效益和社会效益远远超过增加的设备和工程投资。

　　抽芯立式混流泵机组安装简便，适用于扬程较高的泵站，但其检修性一般。

由于采用了较新的陶瓷轴承，转速很高，叶轮nD值较大，可靠耐久性和汽蚀性能需经时间的检验。

对年运行时数极短的排涝泵站，考虑到节省土建、施工和设备投资，亦可采用斜式或卧式结构，但每年至少需要对水泵导轴承检修或更换1次，且要冒水泵轴承故障的风险。

因此不作推荐。

　　轴流泵最好采用虹吸出水流道真空破坏阀断流;为节省工程量，混流泵宜采用快速闸门断流，或采用简单的卷扬式闸门断流，但需经验证。

合理设计进水流道，对相关过流部件表面进行粉末喷涂等预处理[11]，可以提高抗汽蚀性能;叶片表面敷贴不锈钢皮，外壳内表面中部镶嵌不锈钢带，既可提高抗汽蚀性能，更换又方便、经济。

立式电机采用空气冷却器封闭风道通风，可以大大减轻定子油垢积聚，保证散热和绝缘良好。

应保证推力轴承荷载率ε<018，必要时可采用弹性金属塑料瓦[12].采用液压减载装置和顶车装置，可以极大地改善机组的安装检修性能。

　　3.3、合理选用调节功能叶片全调节结构费用约占泵机组设备费用的1/4～1/3.对于大叶片角起动困难，泵站扬程经常变化的机组，应设置全调节机构。

有些泵型实现变角经济运行，泵装置效率可以提高5%～10%[13].机械式调节机构系统紧凑，但需要改进和完善，增大可用调节力，减小水泵需要调节力，提高可靠性。

　　水泵叶片调节，等效率线基本与Q轴平行，比较适用于流量调节。

叶片频繁调节，根部与轮毂的密封容易失效而漏油或进水。

近年来，德国KSB公司生产的具有可调前导叶的混流泵等效率线基本与Q—H曲线平行[14]，更适合于扬程变化较大的泵站经济运行，且机构简单可靠，造价低，是发展方向。

　　运行时数较少的排涝泵站，运行费用与设备投资、特别是排涝社会效益相比为次要因素，只要机组起动没有问题，可以采用半调节或不调节叶轮，以节省设备费用。

如安徽省凤凰颈排涝泵站虽然水泵较大（D=3.1m），仍采用了半调节结构;另一座排涝泵站原来采用的是油压式全调节，由于实际运行并不使用，疏于维护，结果漏油进水，锈蚀严重，现在已改成固定叶片[15].如果泵站扬程变化特别频繁且年均运行时数较长，如南水北调东线工程起点泵站，水位受海潮影响，一天长落两次，可以采用变频装置实现调速经济运行。

虽然变频装置费用较高，经济上仍是合理的，技术上也是可行的，并且还可低速起动减小起动功率，低速停机减小闸门断流过载的危险。

如2000kW变频装置设备及安装调试费用约需130万元，按年运行5000h计算，3～4年所节省的电费即可收回增加的设备投资[16].

　　4、结论

（1）大型低扬程水泵机组轴线、结构形式、功能复杂多样，影响机组的安全稳定性、可靠耐久性、安装检修性、工况可调性和经济合理性。

关键因素有：

泵型、轴线形式、水泵导轴承、水泵汽蚀、断流方式、电机推力轴承、电机通风方式等。

（2）泵站应优先选用混流泵。

斜、卧式水泵导轴承可靠耐久性差;立式半井筒式泵机组具有较好的综合性能;水泵叶片与外壳采用不锈钢材料，抗汽蚀性能明显增强，运行时数多的重点泵站应优先采用。

　　（3）轴流泵采用虹吸出水流道真空破坏阀断流比较安全;混流泵采用闸门断流，可以减少工程投资，提高装置效率。

　　（4）立式电机应设置必要的辅助安装功能，采用封闭风道、空气冷却器通风方式。

　　（5）年运行时数多、扬程变化频繁的泵站，可以考虑采用变频调速经济运行。

相反，年运行时数少的排涝泵站，宜采用结构简单、造价低廉的半调节水泵机组。

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本文是由自平衡多级泵研发中心