大型低揚程水泵機組結構分析比較研究|最新資料

簡述了我國大型低揚程水泵及配套電機的結構功能形式，從安全性、穩定性、可靠性、耐久性、安裝性、維修性和系統效率等方面，對各種結構功能進行了全面比較，分析了關鍵部件結構故障失效機理，提出了機組結構設計、選用采取的對策。

近年來，我國開發出了一系列高性能低揚程泵的水力模型，其性能指標已達到國際先進水平。但忽視了對大泵機組結構功能的研究，有些泵站機組結構功能設計選用不合理，經常發生故障，個別泵站甚至建成數年一直不能正常運行，影響功能的發揮。在即將開工興建的南水北調等重點工程泵站的建設和20世紀60～70年代建設的大型泵站更新改造中，應特別注意對泵機組的結構功能的研究，有必要對我國大型低揚程水泵機組結構功能特點進行分析和比較。

1、大型低揚程水泵機組基本結構形式

1.1、水泵結構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，額定轉速n=250～75r/min，單站臺數2～20臺。

大型低揚程水泵機組結構形式多樣。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，在彎管上部和導葉體內設有2只導軸承，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場澆筑而成，泵軸穿出處設有密封，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澆混凝土井筒內，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、進水伸縮節及導葉體的下半部分裸露在水泵層的結構稱半井筒式，目前有D=2.00、3.10m軸流泵采用；水泵全部包圍在井筒內的結構，稱全井筒式。立式箱涵式水泵是近年來發展起來的，它適用于內外水位變化頻繁、高低交錯的沿江圩區特低揚程雙向雙層流道泵站，這種結構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構，這種結構適用于D≤2.20m的中型導葉式混流泵。

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構布置，電機體積不允許過大，只能采用體積小、極數少、轉速高的同步電機，需設齒輪箱變速。

1.2、電機結構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，轉速高，為整體式結構，安裝簡便，與水泵之間設有變速裝置，電機不承受軸向水推力。立式直聯電機體積大，出為分散式結構，需在泵站進行部件組合安裝，安裝要求高，技術性強[2].2800kW以上的立式電機在下機架上設有制動與頂車裝置，5000kW及以上的立式電機推力軸承設有液壓減載裝置，并采用空氣冷卻器封閉通風結構。

2、大型低揚程水泵機組結構功能分析比較

2.1、安全穩定性軸流泵與混流泵整個流量范圍內的特性差異很大。葉片角度一定，混流泵高效區寬于軸流泵。軸流泵接近零流量時，揚程和功率很大，約為設計值的2～3倍，且小流量區（高揚程）運行不穩定，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，導葉式混流泵葉輪產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）設計不合理，流態紊亂，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）單站機組臺數與容量。泵站裝機流量一定，機組臺數取決于單機容量。機組大，效率高，但站房基礎開挖深。部件體積大，制造、安裝、檢修和運輸困難，有些關鍵部件技術性能不過關。單站臺數過少，運行保證率低。若僅設2臺機組，1臺發生故障后，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）水泵導軸承失效問題。巴氏合金導軸承承載能力大，但結構復雜，特別是水密封結構不可靠，大量漏水進入導葉體輪轂腔，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，軸承和軸頸嚴重拉毛、剝落，間隙增大，導致葉片碰殼。據江蘇省江都抽水站不完全統計，所有大泵油軸承都浸過水，單站平均每年發生4.8次以上，10年內單泵最多發生18次之多[4].

非金屬水潤滑導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。

立式泵導軸承雖然工作荷載小，非金屬導軸承采用河水潤滑，或采用清水潤滑，但密封結構不可靠時，河水中的泥沙進入軸承間隙，經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，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，進水流道設計不合理，都會加重水泵汽蝕。翼型汽蝕和間隙汽蝕嚴重時，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%.安裝質量差、運行揚程高是直接原因，其根本原因是軸承過載和結構不合理。據統計，軸承荷載率ε>019時容易燒瓦，而ε<018很少出現燒瓦事故[5].

立式機組電機位置高，運行環境與通風散熱條件好。采用自然空氣靠轉子磁軛上下風扇造成的壓力或風機形成的真空迫使熱空氣從定子出風洞流出，外界冷空氣經上下通風口進入補充，空氣中的大量灰塵與油缸內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槽內，嚴重影響散熱和絕緣，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，燈泡體內壁結露很難解決，環境濕度大，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電機等機組結構不合理，機組部件不能按正常程序安裝，安裝質量不能保證。斜式、臥式機組安裝盤車困難，軸線擺度難以測量調整。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現，檢修需要拆卸電機和水泵的大部分部件，工作量大。立式圬工式水泵導葉體及以下部件需從泵站專用吊物孔吊入并經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軸承檢修或更換。拆開縱向對開式葉輪外殼，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、工況可調性采用直聯傳動便于設置葉片調節機構，可調性好。大型水泵變工況目的有三：實現經濟運行、減小起動功率縮短起動時間（限運行全調節）、調節流量。半調節只是增加水泵的適用范圍，不能用于調節工況。油壓全調節調節力大，工作可靠，但油壓裝置系統復雜；機械全調節結構緊湊，輔助設備簡單，是發展方向，但故障多，可靠性差。泵站應根據實際情況選擇葉片調節方式[7].采用雙速電機，水泵具有兩個揚程不同的高效區，泵站可以根據不同季節的揚程改變電機接線，改變轉速，達到經濟運行的目的。

2.5、經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。立式泵流道轉彎多，流動水頭損失大；斜式和臥式泵流道轉彎少，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，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，立式泵系統效率低1%～3%.非立式裝置葉片全調節機構設置比較困難，對揚程經常變化的泵站，立式裝置設置葉片調節機構，通過變角保證系統始終高效運行，系統平均運行效率并不低于斜、臥式裝置。軸線形式、立式水泵結構對比分別如表1、2.

3、大型低揚程水泵機組結構設計選用3.1、合理選用泵型混流泵與軸流泵相比，關死點功率小，小流量區運行較穩定，閘門斷流不易過載，因此，同等情況下優先采用混流泵，可以提高機組的安全可靠性和運行穩定性。目前用于大型泵站的混流式水力模型較少。最近，江蘇大學江蘇流體機械研究中心與江蘇省水利廳合作，開發出了高比轉數導葉式斜流泵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）小流量區域的不穩定性能顯著減輕；（3）能適應揚程變化很大的場合。綜合考慮制造、安裝、管理、技術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3～8臺較為合適，重要工程應考慮每站設置1臺備用機組。

3.2、合理設計、選用機組結構機組型式、結構、尺寸設計和選用要兼顧可靠耐久性、安裝檢修性和經濟合理性。對年運行時間長的重要泵站，如南水北調東線工程，年均運行時間達5000～6000h，某一泵站發生問題，將影響整個調水線路的正常運行，因此，機組安全可靠性是第一位的。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，本方案所節省的機組維修費用、靈活的工況調節節省的運行費用及因設備完好率的提高產生的經濟效益和社會效益遠遠超過增加的設備和工程投資。

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，轉速很高，葉輪nD值較大，可靠耐久性和汽蝕性能需經時間的檢驗。對年運行時數極短的排澇泵站，考慮到節省土建、施工和設備投資，亦可采用斜式或臥式結構，但每年至少需要對水泵導軸承檢修或更換1次，且要冒水泵軸承故障的風險。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，但需經驗證。合理設計進水流道，對相關過流部件表面進行粉末噴涂等預處理[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、經濟。立式電機采用空氣冷卻器封閉風道通風，可以大大減輕定子油垢積聚，保證散熱和絕緣良好。應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、合理選用調節功能葉片全調節結構費用約占泵機組設備費用的1/4～1/3.對于大葉片角起動困難，泵站揚程經常變化的機組，應設置全調節機構。有些泵型實現變角經濟運行，泵裝置效率可以提高5%～10%[13].機械式調節機構系統緊湊，但需要改進和完善，增大可用調節力，減小水泵需要調節力，提高可靠性。

水泵葉片調節，等效率線基本與Q軸平行，比較適用于流量調節。葉片頻繁調節，根部與輪轂的密封容易失效而漏油或進水。近年來，德國KSB公司生產的具有可調前導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濟運行，且機構簡單可靠，造價低，是發展方向。

運行時數較少的排澇泵站，運行費用與設備投資、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，可以采用半調節或不調節葉輪，以節省設備費用。如安徽省鳳凰頸排澇泵站雖然水泵較大（D=3.1m），仍采用了半調節結構；另一座排澇泵站原來采用的是油壓式全調節，由于實際運行并不使用，疏于維護，結果漏油進水，銹蝕嚴重，現在已改成固定葉片[15].如果泵站揚程變化特別頻繁且年均運行時數較長，如南水北調東線工程起點泵站，水位受海潮影響，一天長落兩次，可以采用變頻裝置實現調速經濟運行。雖然變頻裝置費用較高，經濟上仍是合理的，技術上也是可行的，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變頻裝置設備及安裝調試費用約需130萬元，按年運行5000h計算，3～4年所節省的電費即可收回增加的設備投資[16].

4、結論

（1）大型低揚程水泵機組軸線、結構形式、功能復雜多樣，影響機組的安全穩定性、可靠耐久性、安裝檢修性、工況可調性和經濟合理性。關鍵因素有：泵型、軸線形式、水泵導軸承、水泵汽蝕、斷流方式、電機推力軸承、電機通風方式等。

（2）泵站應優先選用混流泵。斜、臥式水泵導軸承可靠耐久性差；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，運行時數多的重點泵站應優先采用。

（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）立式電機應設置必要的輔助安裝功能，采用封閉風道、空氣冷卻器通風方式。

（5）年運行時數多、揚程變化頻繁的泵站，可以考慮采用變頻調速經濟運行。相反，年運行時數少的排澇泵站，宜采用結構簡單、造價低廉的半調節水泵機組。

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