泗洪泵站貫流泵機組水力性能及結構特點分析

周偉卜舸（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 揚州 225127）

泗洪泵站貫流泵機組水力性能及結構特點分析

周偉卜舸
（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 揚州 225127）

泗洪泵站在水力設計中應用CFD仿真技術，通過優化燈泡貫流泵裝置進、出水流道型線減少水力損失，優化設計效果得到了水泵裝置模型試驗的驗證，預測的泵裝置性能與試驗結果基本一致。燈泡貫流泵機組的整體結構、變頻調節系統、主軸密封裝置、軸承布置等主要設備的結構設計技術先進，保證了燈泡貫流泵機組的安全和可靠運行。泗洪泵站在設備招標中采用的國內外生產廠家技術合作的模式，為類似大型泵站機組選型、結構設計及機械制造提供了有益的參考。

燈泡貫流泵 水力性能 結構特點 模型試驗 技術合作

1 主要設計參數

泗洪泵站設計揚程3.23m，最高揚程4.73m，平均揚程1.60m，安裝后置式燈泡貫流泵機組5臺套（1臺備用），葉輪直徑3050mm，單泵設計流量30m3/s。水泵與電動機直聯傳動，采用變頻調節方式，電動機工頻轉速107.1r/min。泗洪泵站特征水位及凈揚程見表1。

2 水力性能分析

2.1 內部流態分析

泗洪泵站燈泡貫流泵裝置采用CFD仿真技術，建立了包括進水池、進水流道、水泵葉輪和導葉、燈泡體、出水流道和出水池在內的三維實體模型，網格結點數約50萬個。采用RNG k-ε紊流模型，封閉定常流動N-S動量方程組，開展平均揚程工況下的水泵裝置內部流動模擬，優化設計過流部件的型線，定性分析進出水流道內的壓力場和流速場，定量計算不同過流部件的水力損失，預測泵裝置的水力性能。

表1 泗洪泵站特征水位及凈揚程

表2 燈泡貫流泵裝置不同部件水力損失計算值

圖1 泗洪貫流泵裝置三維實體計算模型

圖2 燈泡貫流泵裝置內部流場圖

圖3 泗洪泵站燈泡貫流泵裝置模型試驗性能曲線圖

圖2為優化設計的泗洪泵站燈泡貫流泵裝置在平均揚程工況下的內部流場圖。從圖中可以看到，進水流道中的流態平順，沿程逐步加速，獲得能量的水體，從導葉出口流出，在水流逐步擴散的同時，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，隨著流速進一步降低，流態得到改善，較均勻地流過出水流道。

2.2 水力損失計算

根據數值仿真結果，可分別計算圖1中進水流道（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為設計流量下貫流泵裝置的水力損失計算結果。從表2看出，呈收縮狀的進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到0.1015m，占總損失的比例達到了58.4％；呈擴散狀出水流道的水力損失0.0584m。在平均揚程工況下，按泵段效率88％計算，預測的泗洪泵站燈泡貫流泵裝置效率為79.38％。

2.3 模型試驗驗證

在日本株式會社荏原制作所試驗臺上，進行了泗洪泵站燈泡貫流泵裝置模型試驗，模型試驗布置如圖3所示。按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》（SL140-2006）進行試驗和驗收。由于模型試驗中燈泡的體積太小，以及試驗轉速的要求，無法在內部直接安裝電機，所以在泵裝置模型試驗中，把水泵軸加長，穿過壓力水箱，與布置其后的扭矩儀和電機相連。

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

3 機組結構特點分析

3.1 整體結構

泗洪泵站水泵形式為后置式燈泡貫流泵，即順進水流道方向、裝有電機的燈泡體位于水泵葉輪后側（后置），貫流泵與電動機采用直接連接。由于泵站運行水位變幅較大，通過變頻器對電機進行控制，調整水泵轉速，實現泵站運行范圍內的高效、穩定運行。泗洪泵站燈泡貫流泵的殼體采用水平中開金屬結構，機組總裝配圖如圖4所示。從圖4可以看到，水泵和燈泡體由水泵導葉體連接，葉輪、葉輪室、燈泡體內的電機定子、轉子和主軸、電機殼體、水泵和軸承支撐殼體蓋各自吊裝、安裝。導流殼體及相連水泵外殼為中開式結構，導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機組采用固定導葉及電機機座的燈泡體支承方式，對電動機來說其支承主要靠機座底部法蘭，機座底部法蘭與底座固定。

圖4 泗洪泵站燈泡貫流泵機組總裝配圖

表3 燈泡貫流泵裝置不同揚程、轉速下的性能參數表

3.2 主軸密封裝置

泗洪泵站水泵主軸密封采用安全可靠、便于維護的填料密封。密封形式為接觸密封，因此可確保調整主軸的潤滑性能，保證水泵運行的穩定性。為防止漏出的水濺到各處，軸封處設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接的排水管道排出。填料壓蓋、填料壓蓋罩均采用中分構造，便于更換密封與軸封處檢修。密封部內置在氣囊密封內，采用注入壓縮空氣的方式，不需要進行水泵殼體內的排水，可以實現填料壓蓋的更換，維護更加方便。

3.3 軸承布置

貫流泵機組設水泵導軸承一個、電機組合軸承一組。軸承箱支座有足夠強度和剛度以承受最大徑向載荷，防止軸系的振動，保證機組運轉可靠和檢修維護方便。軸承箱采用迷宮式密封,并設有隔離環和隔離環蓋等零件，保證既無油向外漏出，也無外部水及雜質進入軸承箱內。

機組的軸向推力由電動機側的軸承承擔，推力軸承與導軸承成組合體，推力軸承結構能承受正、反向的水推力，又能承受機組包括飛逸運行工況下的徑向荷載。徑向軸承以及推力軸承均采用SKF滾動軸承，結構簡單，沒有復雜的油路系統。

3.4 變頻調節系統

從表1可以看出泗洪泵站設計凈揚程3.23m，而平均揚程只有1.6m。按照《泵站設計規范》，在平均揚程時，水泵應在高效區運行，在整個運行揚程范圍內，水泵應能安全、穩定運行。泗洪泵站采用變頻調節方式，平均揚程工況下水泵運行在工頻轉速107.1r/min，效率達到83.2％，在設計揚程工況下，如果在工頻狀態，單機流量只有19.8m3/s，不滿足規范要求，通過變頻調速裝置將電動機頻率調至60Hz，水泵轉速升至128.52 r/min，在設計揚程工況下，單機流量達到31.7m3/s，滿足規范要求，水泵能安全、穩定運行。裝置不同揚程、不同轉速下的性能參數見表3。

變頻器采用西門子高壓變頻調速裝置，變頻系統配置工頻旁路系統設備，滿足在不需要變頻的情況下，電動機在6kV額定電壓時能變頻啟動并切換至旁路工頻運行。旁路系統配置6kV旁路斷路器及變頻器裝置輸入、輸出側6kV斷路器。變頻器裝置具有在運行時變頻向工頻以及工頻向變頻的同步切換功能，切換時變頻器使輸出電壓幅值、頻率及相位與電網電壓相同，并通過設置電抗器，減小切換時電流沖擊。

3.5 同步電動機

貫流泵機組配套電動機為臥式同步電動機，額定功率2000kW，工頻轉速107.1r/min，額定電壓10kV，效率94.5％，配有微機型勵磁系統。電動機采用空—水冷卻、內部強迫通風方式，利用軸流式風機使電動機內部空氣流動起來，通過空冷器使高溫空氣與較低溫度水進行熱量交換，達到冷卻電機內部循環空氣的目的，保證電機內部繞組及電子元件在正常的溫度范圍內工作。

4 結論

（1）泗洪泵站在機組設備選型及結構設計過程中，采用與國外技術合作的方式，引進先進的設備及關鍵部件的設計與制造技術，為國內類似大型泵站機組選型、結構設計及機械制造提供了有益的參考。

（2）泗洪泵站采用CFD仿真技術，優化設計進、出水流道的型線，有效減少了水力損失，預測的泵裝置性能與模型試驗結果基本一致，在平均凈揚程1.60m工況下，貫流泵裝置效率達到79.5％。

（3）泗洪泵站貫流泵機組結構設計先進，有效保證了機組運行的安全性和可靠性，各項性能指標均達到南水北調東線工程的要求