全貫流潛水電泵的應用及出水端自耦式安裝的穩定性分析

曹良軍 劉長益 鐘躍凡

（益陽市水務局 益陽市 413000）

1 概 述

資江位于湖南省中部，全長653 km，流域面積28 142 km2，穿益陽城區而過，與洞庭湖相接。益陽市位于長江中下游平原南岸的湘北洞庭湖區域。防洪、抗旱和排漬是工作之重。在益陽城區，有幾個排漬泵站建于20 世紀80年代，臨河而建。前些年城市防洪工程建設啟動，原有單薄的防洪堤被寬大的風光帶取代，泵站成了鑲嵌在風光帶里的一個小點，這就要求泵房既小巧又精致，甚至沒有泵房只需建一個小型控制房，從而對水泵也有了新的要求。在這種特定的要求下，一種口徑和長度幾乎一樣的泵，其造型獨特，構造簡單的泵應運而生。這種泵叫全貫流潛水電泵。其構造見圖1。

全貫流潛水電泵的另一個特點是： 電機可以做成單繞組雙速和雙繞組雙速兩種形式，使水泵具有兩種轉速、兩種揚程和兩種流量，更加符合泵站的實際情況，也更節能。在以往的泵站設計和運行管理中，我們經常遇到一個現實問題，平時排漬靠自流渠道，只有當外河水位漲至與內湖水位相平，且遇大雨當外河水位高于內河水位時才啟動水泵機組排漬，此時實際揚程幾乎為零，泵站揚程也就（2～3）m，隨外河水位上漲，揚程才慢慢增加，直至外河水位漲至最高，揚程達到最大。由于益陽城區所處的地域環境和水文特征，決定泵站設計揚程一般在（2～10）m 范圍內，而主要運行的揚程在3 m 左右。這就出現一個問題：我們不得不選擇高揚程的泵，而大部分時間在3 m 左右的低揚程下運行，這一矛盾導致水泵機組經常運行點工況差，效率低，浪費資源。雙速電機雙揚程全貫流潛水電泵能從根本上解決這一問題。

圖1 構造圖

2 全貫流潛水電泵在東門口泵站改造中試用

益陽城區東門口泵站為一老泵站，始建于1985年，安裝3 臺常規軸流泵，分別為2 臺55 kW 口徑500 mm 泵和1 臺155 kW 口徑700 mm 泵，設計揚程均為3.7 m。因外河設計水位提高，水泵設計揚程需增加2.3 m，故泵站改造時只能更換水泵。為了有所比較，且保證在各種內外水位組合下達到滿意的排水效果，我們選擇了1 臺135 kW 700 mm 井筒式安裝的潛水軸流泵，設計揚程3.7 m，兩臺雙速500 QWZ-70 全貫流潛水電泵。其中全貫流潛水電泵采用導軌組件導向彎管底座支撐單臂自耦合安裝方式。具有安裝就位快捷，泵池清淤方便等優點。這2 臺雙速全貫流潛水電泵在不同轉速（n=590 r/min，10 極及n=730 r/min，8 極）下的具體參數如表1、表2。安裝改造如圖2。

表1 500QWZ-70 全貫流潛水電泵性能參數表（n=590 r/min,葉輪直徑D=605 mm）

表2 500QWZ-70 全貫流潛水電泵性能參數表（n=730 r/min,葉輪直徑D=605 mm）

圖2 安裝改造圖

經過兩種泵型的運行比較，我們認為全貫流潛水電泵的主要優勢是振動小，噪音小，目測流量大，改造方便，運行時如有雜物堵塞或故障，將泵吊出處理也極為方便。

3 全貫流潛水電泵在清水塘泵站建設中應用

清水塘泵站是益陽城區資江以北區域的排漬骨干泵站，設計裝機3 560 kW，流量27 m3/s，屬拆除原有小泵站移址重新建設項目。原清水塘泵站距離資江大堤450 m，出水流道為出水高渠形式，不利防汛，也嚴重阻礙城市的發展。新的建設方案將泵房移至靠近防洪大堤內側，而此處為流沙地基，為了減少施工難度，節約工程造價，基礎開挖深度越小越好。因此在選泵時，我們將最小淹沒深度作為重點考慮內容。經過對全貫流電泵與常規潛水軸流泵的兩種方案的比較，加上東門口泵站的試用情況的分析，我們大膽地選擇了全貫流電泵。兩者相比，前者可減少泵房部分基礎開挖深度1.7 m，為減小施工難度，搶在次年汛期到來之時開機排漬創造有利條件。由于排漬泵1年中運行的時間很短，我們放棄了雙速電機的方案。

（1）泵站裝機情況。清水塘泵站裝機8 臺，其中90 kW 機組3 臺、250 kW機組1 臺、670 kW 機組4 臺，各機組參數列表3。綜合性能曲線圖見圖3。

（2）泵站建設情況。清水塘泵站于2011年10月21日破土動工。為了在少雨枯水期完成主體工程，趕在來年主汛期到來之前能夠防汛排漬，工程日夜施工，并對施工設計進行了兩個重點優化：一是將泵房底板抬高1.7 m，使基坑底部高程基本與外河水位持平，杜絕流沙產生；二是背水一戰，取消導流管鋪設，減少了一個施工環節，先是利用疏通渠涵導流，后是利用新建成的工程導流，充分發揮全貫流泵安裝快捷的優勢，邊施工邊導流邊安裝水泵。2011年農歷年前順利完成壓力水箱以外電排涵管和自排涵管工程，年后開始主泵房壓力水箱和內自排涵管建設；3月9日，一場大雨過后，老清水塘泵站排漬，漬水直接排入新建涵管，工程開始順利導流；5月13日，大雨再次來臨，外河水位陡漲，4 臺水泵順利開機排漬。這一工程從破土動工到首批水泵運行，僅僅耗時204 天（含春節假期和雨雪天氣），全貫流泵的選擇和設計方案的優化起到了關鍵的作用。1400QGWZ-50 全貫流潛水電泵安裝如圖4。

表3 清水塘泵站機組參數

圖3 1400QGWZ-50 全貫流泵綜合性能曲線圖

圖4 1400QGWZ-50 全貫流潛水電泵安裝圖

4 大型全貫流泵出水端自耦式安裝方式的穩定性分析

提出并實施出水端推力自耦式安裝方式，并給出推力自耦安裝方式的穩定判據。出水端推力自耦式安裝方式是現有污水泵自耦安裝方式的一種創新。這種新型安裝方式可以在不需要裝拆一個螺栓，就可以完成泵在機坑內的安裝，大大提高了快速性，而且沒有安裝接縫的水力損失，實踐證明1 臺670 kW 大型全貫流潛水電泵可在20 min 內完成安裝或者拆卸作業。圖5 為出水端推力自耦式安裝方式。

圖5 出水端推力自耦式安裝方式

已投產的中大型全貫流潛水軸流泵的出口、進口直徑已達1 400 mm，Q=5.65 m3/s，H=8.54 m，N=670 kW，泵重G=11.8 t，在益陽清水塘泵站中采用此安裝方式投入工程實踐。如果仍運用中小型污水泵自耦安裝方式，將自耦掛件與出水管道制成一位的整體，那末全貫流軸流泵的重量G 對出水管下端法蘭產生很大的彎矩 最終作用在壩的立面上，增加了土建工程結構的受力。其次推力自耦圓柱，不希望與出水管法蘭過于靠近，否則會增加全貫流潛水電泵吊入自耦位置的安裝難度。為此對口徑≥900 mm 的全貫流潛水電泵開發了如圖1 的出水端推力自耦安裝方式。主要特點是原安裝在出水管上的自耦推力斜面，現預埋在進水流道混凝土隔墩上，重力G 直接作用于隔墩并傳遞到進水流道的底板上。

為保證推力自耦安裝方式在運行狀態下是穩定的，應滿足以下理論力學條件：

式中 Fw——軸流泵的軸向推力；

Fm——“O”型橡膠密封圈壓縮的彈性力。

由∑Fx，可知，當Fx>Fw時，剩余即密封“O”型圈的正壓力Fm。

當Fw=0 時，即由式（2）得Fx=Fw代入式（1）

式（5）代入式（4）得

作為最簡單情況，如y1=R，則

由式（6）可見，α 越大，x1越小，F 越大。

由式（6）代入式（5）可得

由式（2）可知，泵體本身重力因斜面產生的X方向分力，在泵未運行時，Fw=0 Fx=Fm，即Fx被“O”型橡膠圈的彈性所平衡，當水泵運行時，泵產生的軸向力，其方向與Fx方向相反，由于產生了運行的軸向力，按式（2）Fm將減小，當Fm減小為0 時，說明密封面被推開，密封失效。

當y1為正值如圖所示，“O”型橡膠密封圈的上、下邊提供的密封反力與y1的大小有關。

上側“O” 型橡膠密封圈提供的密封反力為：Fm1=

下側“O”型橡膠密封圈提供的密封反力為：Fm2=

因此，當y1≠0 時，判定密封面是否被打開的穩定判據是下側“O”型橡膠密封圈是否被打開，顯然水泵運行的軸向力，分成上、下各一半是合理的。

式（7）即推力自耦密封方式運行穩定，密封面不被打開的通用判據。

（1）當水泵運行時，有指向斜面的水推力，會不會形成使推力耦合柱沿斜面爬升導致“O”型橡膠密封圈下沿，甚至整個被推開？只要注意到泵的重量G是向下的，在設計時注意選擇角α、x1和y1就能滿足式（7）的判據；

（2）從式（7）看，XG比x1大得越多，式（7）越能滿足，也就越穩定。但如圖1 所示是重力所在位置在自耦推力斜面支點的外面，重力G 會產生結合面“O”型橡膠密封圈向上爬的彎矩，會不會有結合面向上脫開的危險？ 在設計時如不注重這個問題的細節，是有可能發生的。關鍵是設計時要注意出水管道法蘭寬度有足夠的寬度，當“O”型橡膠密封圈發生軸向變形時，“O”型橡膠密封圈所在的泵體法蘭面繞支點旋轉時，應保證“O”型橡膠密封圈未超出法蘭的寬度，則是穩定的。如果在設計時，取XG=x1，y1=R 時，則能徹底解決這一擔心。此時穩定判據式（7）也簡化成

要滿足穩定條件式（8），只要增大推力斜面與水平的夾角α，就一定能滿足，但是當（90°-α）橡膠密封圈與鋼鐵的摩擦自鎖角β=tg-1（0.18）=11°時，會發生自鎖，使起吊泵發生困難。因此在工程設計時，把穩定判據取值為：

對清水塘1 400 QGWZ-5.64/8.54-（50）-670D葉=120 cm，Dh=57.6 cm，G=11 800 kg，安全系數k=2.5，即與沿垂線的夾角為26.5°，工程圖制作時取為24°。

（3）出水端推力自耦式密封安裝方式與進出端方式的比較。如將出水密封改為進水端密封，斜面推力方向與運行時水推力方向是一致的。根本無須對耦合的穩定性進行判別，是一種結構性穩定的裝置。對比如表4。

推力自耦安裝方式，目前已完成葉輪直徑2.6m，功率1 000 kW。由于快速安裝性（一般能在10～15 min 完成拆卸和吊裝），在水質特別惡劣的情況，如黃河高含砂量取水、高腐蝕性的化工污水或海水中使用，可利用快速安裝性，在不取水的運行間隔期，快速提泵，進行沖洗、防銹，以加強運行管理來提高適應性、可靠性和使用壽命。

表4 對比表

（4）進口漩渦的處理改造。當時為了減少開挖深度，我們在廠家承諾的基礎上盡量將最小淹沒深度壓到了最小。但運行證明，當670 kW 口徑1 400 mm 水泵在淹沒深度降至1 m 左右時，進水開始出現漩渦，此時水泵振動加大，噪音增加，出水流量減小。判斷為進水流道中的水流出現了明顯的液面渦帶，渦帶呈漏斗狀進入全貫流泵的葉輪，吸入空氣產生的。為消除液面渦帶及由漩渦發生的渦帶，在泵的進口部分設置壓水板的方法經驗及CFD 分析的結論是有效的。為此發展了簸箕型進水流道主要特征即有一個壓水板。按這一經驗及分析，2012年，我們試著設計了一個鋼制的喇叭型收縮壓水板安裝在水泵進口處，經過幾次運行，證明這一簡單裝置對消除進水口漩渦能夠起到特別好的作用。后又用鋼筋混凝土喇叭型收縮壓水板取代了鋼制喇叭型收縮壓水板，2014年試機達到了預期效果。喇叭口改造如圖6。

圖6 喇叭口改造圖

5 結 語

從2012年5月13日首批4 臺水泵運行至今，工程邊建設邊運行，其中經歷了模擬最高揚程運行和流量測定，還經歷了進水口技術改造，7 臺水泵（因資金問題尚有1 臺670 kW 機組未訂貨安裝）共運行1 765 臺·時。從整體上看，是極為理想的。

（1）減少泵房基坑開挖1.7 m，大大減少了施工時流沙處理的難度，減少了工程量，節約工程資金數百萬元。

（2）水泵機組安裝便捷，邊建設邊受益，為2012年江北城區安全排漬度汛贏得了時間。

（3）這種潛水電泵本身具有以下優點： 運行平穩、振動小、噪音低、流量大、效率高，在安裝維護方面，由于體積小、重量輕、結構簡單緊湊，易于吊裝搶修和維護，給管理帶來許多便利。

需要說明的一點是： 清水塘泵站選用設計揚程為8.54 m 水泵，實際大部分時間在3 m 左右低揚程（泵站揚程）下運行，按理此時工況是不佳的。是因為考慮每年運行時間較少，才退而求其次的。如果水泵經常需要長時間運行，且揚程跨度大，選用雙速電機泵是最好的。另外，濕電機在水質惡劣條件下抗老化能力有待時間考驗，濕式電機效率是否可進一步提高，有待研究。