泗洪泵站貫流泵機(jī)組水力性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

周偉卜舸（江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 揚(yáng)州 225127）

泗洪泵站貫流泵機(jī)組水力性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

周偉卜舸
（江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 揚(yáng)州 225127）

泗洪泵站在水力設(shè)計(jì)中應(yīng)用CFD仿真技術(shù)，通過優(yōu)化燈泡貫流泵裝置進(jìn)、出水流道型線減少水力損失，優(yōu)化設(shè)計(jì)效果得到了水泵裝置模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，預(yù)測的泵裝置性能與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。燈泡貫流泵機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)、變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)、主軸密封裝置、軸承布置等主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)，保證了燈泡貫流泵機(jī)組的安全和可靠運(yùn)行。泗洪泵站在設(shè)備招標(biāo)中采用的國內(nèi)外生產(chǎn)廠家技術(shù)合作的模式，為類似大型泵站機(jī)組選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械制造提供了有益的參考。

燈泡貫流泵 水力性能 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 模型試驗(yàn) 技術(shù)合作

1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

泗洪泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.23m，最高揚(yáng)程4.73m，平均揚(yáng)程1.60m，安裝后置式燈泡貫流泵機(jī)組5臺(tái)套（1臺(tái)備用），葉輪直徑3050mm，單泵設(shè)計(jì)流量30m3/s。水泵與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)，采用變頻調(diào)節(jié)方式，電動(dòng)機(jī)工頻轉(zhuǎn)速107.1r/min。泗洪泵站特征水位及凈揚(yáng)程見表1。

2 水力性能分析

2.1 內(nèi)部流態(tài)分析

泗洪泵站燈泡貫流泵裝置采用CFD仿真技術(shù)，建立了包括進(jìn)水池、進(jìn)水流道、水泵葉輪和導(dǎo)葉、燈泡體、出水流道和出水池在內(nèi)的三維實(shí)體模型，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)約50萬個(gè)。采用RNG k-ε紊流模型，封閉定常流動(dòng)N-S動(dòng)量方程組，開展平均揚(yáng)程工況下的水泵裝置內(nèi)部流動(dòng)模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)過流部件的型線，定性分析進(jìn)出水流道內(nèi)的壓力場和流速場，定量計(jì)算不同過流部件的水力損失，預(yù)測泵裝置的水力性能。

表1 泗洪泵站特征水位及凈揚(yáng)程

表2 燈泡貫流泵裝置不同部件水力損失計(jì)算值

圖1 泗洪貫流泵裝置三維實(shí)體計(jì)算模型

圖2 燈泡貫流泵裝置內(nèi)部流場圖

圖3 泗洪泵站燈泡貫流泵裝置模型試驗(yàn)性能曲線圖

圖2為優(yōu)化設(shè)計(jì)的泗洪泵站燈泡貫流泵裝置在平均揚(yáng)程工況下的內(nèi)部流場圖。從圖中可以看到，進(jìn)水流道中的流態(tài)平順，沿程逐步加速，獲得能量的水體，從導(dǎo)葉出口流出，在水流逐步擴(kuò)散的同時(shí)，流速隨之下降，受燈泡體和支墩的影響，從立面流場圖看到流線不順直，但在出水流道中逐步得到整理，隨著流速進(jìn)一步降低，流態(tài)得到改善，較均勻地流過出水流道。

2.2 水力損失計(jì)算

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，可分別計(jì)算圖1中進(jìn)水流道（A～B斷面）、燈泡體（C～D斷面）和出水流道（D～E斷面）等不同部件的水力損失。表2為設(shè)計(jì)流量下貫流泵裝置的水力損失計(jì)算結(jié)果。從表2看出，呈收縮狀的進(jìn)水流道水力損失最小，約占泵站總損失的8％；燈泡體的水力損失達(dá)到0.1015m，占總損失的比例達(dá)到了58.4％；呈擴(kuò)散狀出水流道的水力損失0.0584m。在平均揚(yáng)程工況下，按泵段效率88％計(jì)算，預(yù)測的泗洪泵站燈泡貫流泵裝置效率為79.38％。

2.3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

在日本株式會(huì)社荏原制作所試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行了泗洪泵站燈泡貫流泵裝置模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)布置如圖3所示。按照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL140-2006）進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)收。由于模型試驗(yàn)中燈泡的體積太小，以及試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的要求，無法在內(nèi)部直接安裝電機(jī)，所以在泵裝置模型試驗(yàn)中，把水泵軸加長，穿過壓力水箱，與布置其后的扭矩儀和電機(jī)相連。

圖3為泗洪泵站燈泡貫流泵裝置模型試驗(yàn)性能曲線，平均揚(yáng)程下的水泵裝置效率為79.5％，與CFD仿真計(jì)算預(yù)測的泵裝置效率79.38％相比，兩者誤差較小，CFD的有效性得到了驗(yàn)證。

3 機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)

泗洪泵站水泵形式為后置式燈泡貫流泵，即順進(jìn)水流道方向、裝有電機(jī)的燈泡體位于水泵葉輪后側(cè)（后置），貫流泵與電動(dòng)機(jī)采用直接連接。由于泵站運(yùn)行水位變幅較大，通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行范圍內(nèi)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。泗洪泵站燈泡貫流泵的殼體采用水平中開金屬結(jié)構(gòu)，機(jī)組總裝配圖如圖4所示。從圖4可以看到，水泵和燈泡體由水泵導(dǎo)葉體連接，葉輪、葉輪室、燈泡體內(nèi)的電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子和主軸、電機(jī)殼體、水泵和軸承支撐殼體蓋各自吊裝、安裝。導(dǎo)流殼體及相連水泵外殼為中開式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流殼體下半部和外殼下半部均直接埋入混凝土，上部可自由拆裝，方便燈泡體的安裝。燈泡體的支承方式為整個(gè)機(jī)組采用固定導(dǎo)葉及電機(jī)機(jī)座的燈泡體支承方式，對電動(dòng)機(jī)來說其支承主要靠機(jī)座底部法蘭，機(jī)座底部法蘭與底座固定。

圖4 泗洪泵站燈泡貫流泵機(jī)組總裝配圖

表3 燈泡貫流泵裝置不同揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)表

3.2 主軸密封裝置

泗洪泵站水泵主軸密封采用安全可靠、便于維護(hù)的填料密封。密封形式為接觸密封，因此可確保調(diào)整主軸的潤滑性能，保證水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。為防止漏出的水濺到各處，軸封處設(shè)有不銹鋼制的填料壓蓋罩和水泵軸承完全隔離的集水箱，軸封處的漏水通過集水箱相聯(lián)接的排水管道排出。填料壓蓋、填料壓蓋罩均采用中分構(gòu)造，便于更換密封與軸封處檢修。密封部內(nèi)置在氣囊密封內(nèi)，采用注入壓縮空氣的方式，不需要進(jìn)行水泵殼體內(nèi)的排水，可以實(shí)現(xiàn)填料壓蓋的更換，維護(hù)更加方便。

3.3 軸承布置

貫流泵機(jī)組設(shè)水泵導(dǎo)軸承一個(gè)、電機(jī)組合軸承一組。軸承箱支座有足夠強(qiáng)度和剛度以承受最大徑向載荷，防止軸系的振動(dòng)，保證機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和檢修維護(hù)方便。軸承箱采用迷宮式密封,并設(shè)有隔離環(huán)和隔離環(huán)蓋等零件，保證既無油向外漏出，也無外部水及雜質(zhì)進(jìn)入軸承箱內(nèi)。

機(jī)組的軸向推力由電動(dòng)機(jī)側(cè)的軸承承擔(dān)，推力軸承與導(dǎo)軸承成組合體，推力軸承結(jié)構(gòu)能承受正、反向的水推力，又能承受機(jī)組包括飛逸運(yùn)行工況下的徑向荷載。徑向軸承以及推力軸承均采用SKF滾動(dòng)軸承，結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的油路系統(tǒng)。

3.4 變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)

從表1可以看出泗洪泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.23m，而平均揚(yáng)程只有1.6m。按照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，在平均揚(yáng)程時(shí)，水泵應(yīng)在高效區(qū)運(yùn)行，在整個(gè)運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)，水泵應(yīng)能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。泗洪泵站采用變頻調(diào)節(jié)方式，平均揚(yáng)程工況下水泵運(yùn)行在工頻轉(zhuǎn)速107.1r/min，效率達(dá)到83.2％，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況下，如果在工頻狀態(tài)，單機(jī)流量只有19.8m3/s，不滿足規(guī)范要求，通過變頻調(diào)速裝置將電動(dòng)機(jī)頻率調(diào)至60Hz，水泵轉(zhuǎn)速升至128.52 r/min，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況下，單機(jī)流量達(dá)到31.7m3/s，滿足規(guī)范要求，水泵能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。裝置不同揚(yáng)程、不同轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)見表3。

變頻器采用西門子高壓變頻調(diào)速裝置，變頻系統(tǒng)配置工頻旁路系統(tǒng)設(shè)備，滿足在不需要變頻的情況下，電動(dòng)機(jī)在6kV額定電壓時(shí)能變頻啟動(dòng)并切換至旁路工頻運(yùn)行。旁路系統(tǒng)配置6kV旁路斷路器及變頻器裝置輸入、輸出側(cè)6kV斷路器。變頻器裝置具有在運(yùn)行時(shí)變頻向工頻以及工頻向變頻的同步切換功能，切換時(shí)變頻器使輸出電壓幅值、頻率及相位與電網(wǎng)電壓相同，并通過設(shè)置電抗器，減小切換時(shí)電流沖擊。

3.5 同步電動(dòng)機(jī)

貫流泵機(jī)組配套電動(dòng)機(jī)為臥式同步電動(dòng)機(jī)，額定功率2000kW，工頻轉(zhuǎn)速107.1r/min，額定電壓10kV，效率94.5％，配有微機(jī)型勵(lì)磁系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)采用空—水冷卻、內(nèi)部強(qiáng)迫通風(fēng)方式，利用軸流式風(fēng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)起來，通過空冷器使高溫空氣與較低溫度水進(jìn)行熱量交換，達(dá)到冷卻電機(jī)內(nèi)部循環(huán)空氣的目的，保證電機(jī)內(nèi)部繞組及電子元件在正常的溫度范圍內(nèi)工作。

4 結(jié)論

（1）泗洪泵站在機(jī)組設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采用與國外技術(shù)合作的方式，引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，為國內(nèi)類似大型泵站機(jī)組選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械制造提供了有益的參考。

（2）泗洪泵站采用CFD仿真技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)、出水流道的型線，有效減少了水力損失，預(yù)測的泵裝置性能與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在平均凈揚(yáng)程1.60m工況下，貫流泵裝置效率達(dá)到79.5％。

（3）泗洪泵站貫流泵機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)，有效保證了機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到南水北調(diào)東線工程的要求