豎井式貫流泵在海河口泵站的應(yīng)用

毛少波

豎井式貫流泵在海河口泵站的應(yīng)用

毛少波

（天津市水利勘測設(shè)計(jì)院，天津300204）

泵站的水泵種類繁多，各自有不同的應(yīng)用特點(diǎn)。貫流泵以其適用大流量、低揚(yáng)程的特點(diǎn)在越來越多的大中型泵站中應(yīng)用。海河口泵站位于天津市海河干流入海口處，設(shè)計(jì)排水流量230 m3/s，屬于大（1）型排澇泵站，采用豎井貫流泵，單機(jī)33 m3/s。主要論述該泵型的應(yīng)用。

海河口泵站；豎井貫流泵；低揚(yáng)程；大流量；裝置試驗(yàn)

1 前言

水是人類賴以生存的資源，“水往低處流”是自然規(guī)律，但人類的生活和生產(chǎn)往往需要改變水的這個規(guī)律，進(jìn)行水的提升。在古代已有各種提水器具，如古埃及的鏈泵、古希臘的螺旋桿、我國的水車等。隨著人類文明的進(jìn)步，機(jī)械的使用極大地改變了我們的生產(chǎn)條件，水泵的出現(xiàn)使水的提升變得更加便捷。水泵就是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械，主要利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有軸流泵、離心泵和混流泵等型式。以水泵為主體的構(gòu)筑物稱為泵站，泵站按功能來分，主要有排水、灌溉、供水等類型。

隨著人口的增加和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，尤其是受近年來極端天氣影響，內(nèi)澇頻發(fā)，排水泵站在城市建設(shè)中的地位越來越重要。目前，排水泵站主要有立式軸流泵、潛水泵、貫流泵、混流泵等型式。其中，貫流泵由于水流在泵中直進(jìn)直出，具有符合水流條件、效率高等特點(diǎn)，特別適合于低揚(yáng)程、大流量的泵站。

天津市海河口泵站采用前置式豎井貫流泵，共7臺，單泵流量33 m3/s，總流量230 m3/s，如此大規(guī)模的泵站采用前置豎井式貫流泵在華北地區(qū)屬于首次。

2 概況

進(jìn)入21世紀(jì)，受全球性氣候變化影響，我國極端天氣多發(fā)頻發(fā)。2008年以來，全國62%的城市發(fā)生過內(nèi)澇，北京、廣州、深圳、武漢等特大城市先后發(fā)生了嚴(yán)重內(nèi)澇，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣社會影響。

海河干流位于海河流域尾閭，是海河支流的匯流處和入海口，承擔(dān)分泄大清河和永定河部分洪水的任務(wù)，是一條集防洪、排澇、蓄水、供水、航運(yùn)、旅游為一體的多功能河道。海河干流自子牙河與北運(yùn)河匯流口至渤海灣塘沽入海口，全長超過70 km，設(shè)計(jì)行洪流量800 m3/s。

天津市區(qū)處于海河下游，屬于九河下梢，歷史上就是洪澇災(zāi)害頻發(fā)之地。經(jīng)過新中國成立以來的一系列治理，海河干流洪水對天津市的威脅降低，但是區(qū)域降水產(chǎn)生的澇水仍對天津市的城市功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

海河干流共承擔(dān)約天津中心城區(qū)2/3面積、環(huán)城四區(qū)及濱海新區(qū)等重要區(qū)域的排水任務(wù)，由于海河干流為入海尾閭河道，河口僅建有防潮閘，沒有建設(shè)泵站，受海潮頂托，河口防潮閘的排水能力受到極大限制。尤其是近年來極端天氣較多，區(qū)域強(qiáng)降雨時有發(fā)生，若中心城區(qū)發(fā)生24 h 200 mm強(qiáng)降雨，受管網(wǎng)及小區(qū)泵站等城市排水設(shè)施建設(shè)滯后、二級河道出口泵站能力不足以及海河排水下泄不暢等因素的共同限制，海河景觀平臺和兩岸下沉路仍會長時間被淹，二級河道會發(fā)生漫溢；若東麗、津南、濱海新區(qū)同時發(fā)生強(qiáng)降雨，海河干流水位勢必抬高，中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)積水范圍和程度將進(jìn)一步擴(kuò)大。

2012年，天津連續(xù)遭遇“7·21”“7·25”“7·30”3次強(qiáng)降雨，中心城區(qū)和區(qū)縣建成區(qū)多處積水，農(nóng)田瀝澇嚴(yán)重，多條河道出現(xiàn)險(xiǎn)情。為完善天津市防洪排澇體系、提高應(yīng)對極端天氣能力、緩解海河干流排澇壓力，修建海河口泵站工程是非常必要的。根據(jù)規(guī)劃和規(guī)模論證，海河口泵站規(guī)模確定為230 m3/s，位于海河入海口，可與海河防潮閘形成互補(bǔ)，共同降低海河干流水位，保證汛期排澇安全。

3 泵站泵型選擇

海河口泵站通過引河從海河干流取水，下游接入海口。泵站設(shè)計(jì)排水流量為230 m3/s，屬于大（1）型泵站，設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.17 m，最大揚(yáng)程4.18 m。工程位于海河干流入海口處河道內(nèi)，屬于河口淤積地層，地質(zhì)條件較差，因此泵站的泵型選擇很重要。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮，泵型選擇的主要原則有：機(jī)組運(yùn)行效率高、高效范圍寬，以降低運(yùn)行費(fèi)用；機(jī)組技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠，以提高用水保證率；機(jī)組汽蝕性能好，保證機(jī)組在使用壽命期內(nèi)檢修次數(shù)少；檢修、維護(hù)方便，易于運(yùn)行管理；與土建、電氣、金屬結(jié)構(gòu)工程綜合考慮，經(jīng)濟(jì)技術(shù)上合理、可行。

本工程泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.17 m，屬低揚(yáng)程泵站，立式泵很難在如此低的設(shè)計(jì)揚(yáng)程下獲得較高的效率，電機(jī)配套功率大、運(yùn)行費(fèi)用高。采用立式軸流泵配肘形進(jìn)水流道、虹吸式出水流道，按照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，駝峰底部高程應(yīng)略高于出水池最高運(yùn)行水位，水泵起動時的揚(yáng)程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泵站運(yùn)行最大揚(yáng)程，由此帶來水泵運(yùn)行的不穩(wěn)定，甚至需要增加抽真空系統(tǒng)，給泵站的運(yùn)行、管理和維護(hù)帶來不便。同時，立式泵的布置會加大基礎(chǔ)開挖，結(jié)合本工程所處的地質(zhì)情況，會增加工程施工難度和投資。綜上所述，立式軸流泵方案在本工程中沒有明顯的優(yōu)勢，不作為推薦方案。

對于低揚(yáng)程泵站，在實(shí)際使用中宜采用裝置效率相對較高且開挖深度小、結(jié)構(gòu)簡單、便于管理的臥式機(jī)組型式。根據(jù)本泵站的特點(diǎn)，擬選取豎井貫流泵、斜15°軸伸泵和軸伸貫流泵3種不同的裝置方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

方案一：豎井貫流泵。豎井貫流式機(jī)組是將電動機(jī)和齒輪箱布置在流線形的豎井中，與安裝在流道中的水泵相聯(lián)接，豎井的尺寸根據(jù)電動機(jī)和齒輪箱的結(jié)構(gòu)尺寸確定，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，密封止水要求不高，運(yùn)行維護(hù)方便，電機(jī)可采用風(fēng)冷或水冷卻。豎井貫流泵流道中軸線從進(jìn)口至出口呈直線形，流道平順沒有彎曲，水流流態(tài)較平穩(wěn)，流道水力損失小，裝置效率高，高效區(qū)較寬，流道形狀簡單，不但土建工程量小，施工還比較方便。

方案二：斜15°軸伸泵。斜式軸流泵是介于立式泵和臥式泵之間的一種泵型，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)。斜式軸流泵的裝置效率較高，泵站的站身高度較立式泵站小，底板埋深小，土建費(fèi)用相對較低。采用斜式軸流泵的泵站可根據(jù)不同揚(yáng)程選擇不同的傾角，小傾角的斜式軸流泵可用于低揚(yáng)程的泵站。根據(jù)本泵站的特征揚(yáng)程可選擇15°軸伸泵。另外，由于斜式軸流泵的水導(dǎo)軸承受力情況較立式、臥式軸流泵復(fù)雜，國內(nèi)已建的斜式軸流泵在水導(dǎo)軸承的運(yùn)用上或多或少都出現(xiàn)過問題。水導(dǎo)軸承偏心磨損，使用壽命短，水泵運(yùn)行有振動，齒輪箱噪音相對大。

方案三：軸伸貫流泵。軸伸貫流式機(jī)組包括平面軸伸貫流式和立面軸伸貫流式2種型式，分別采用平面S形流道和立面S形流道，電動機(jī)和齒輪箱布置在流道外側(cè)，水泵軸伸出流道外與電機(jī)、齒輪箱連接，具有結(jié)構(gòu)簡單、通風(fēng)防潮條件良好、運(yùn)行維護(hù)方便、密封止水要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但軸伸貫流式機(jī)組裝置的進(jìn)出水流道都有彎頭，不同程度地增加了流道的水力損失，影響裝置的水力性能，而且機(jī)組直徑不宜過大，否則會造成機(jī)組主軸太長，中間沒有支承，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。平面軸伸貫流式泵站采用平面S形流道，葉輪中心安裝高程、站身順?biāo)飨蜷L度、廠房跨度與豎井貫流式泵站一致，但機(jī)組間距大、站身寬度增大；立面軸伸貫流式泵站采用立面S形流道，葉輪中心安裝高程、站身順?biāo)飨蜷L度、廠房跨度與豎井貫流式泵站一致，但站身開挖深度加大，因此軸伸貫流式泵站土建投資最大，機(jī)組設(shè)備造價(jià)與豎井貫流式泵站相同，泵站總投資最大。

根據(jù)一些地區(qū)已建成同類泵站的泵型比較結(jié)果，豎井貫流式機(jī)組土建主體結(jié)構(gòu)工程造價(jià)是15°斜軸泵的91%，主要設(shè)備造價(jià)是15°斜軸泵的86%，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢比較明顯，貫流泵運(yùn)行維護(hù)也較為方便。經(jīng)綜合考慮，確定海河口泵站采用豎井貫流泵。

4 流道CFD優(yōu)化與裝置模型試驗(yàn)

海河口泵站采用前置式豎井貫流泵，單泵流量33 m3/s，共7臺，總流量230 m3/s。該泵站的豎井式貫流泵無論是單泵流量還是泵站總規(guī)模，在華北地區(qū)均為最大，并且是首次應(yīng)用。為保證工程的可靠性和安全性，工程建設(shè)單位委托了揚(yáng)州大學(xué)進(jìn)行進(jìn)出水流道CFD水力優(yōu)化和水泵裝置模型試驗(yàn)。

4.1 進(jìn)出水流道CFD優(yōu)化

長期以來，水泵的裝置水力設(shè)計(jì)均通過泵段及裝置模型試驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)、優(yōu)化并得以驗(yàn)證。模型試驗(yàn)雖然可以測試水泵裝置的運(yùn)行特性，但制作周期長、成本高，尤其是優(yōu)化調(diào)整還要增加時間和成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算方法的改進(jìn)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值性能預(yù)測研究工具——CFD（計(jì)算流體動力學(xué)）技術(shù)將逐步成為泵裝置水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的主流。采用先進(jìn)的CFD技術(shù)與模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)的水泵及水泵裝置，將具有優(yōu)良的性能。

海河口泵站開展CFD優(yōu)化，以最終確定進(jìn)出水流道的型線和設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出水流道CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝置性能預(yù)測。不帶水泵而單獨(dú)進(jìn)行的進(jìn)出水流道數(shù)值計(jì)算方法，由于不考慮進(jìn)出水流道與葉輪、導(dǎo)葉、輪轂等水泵過流部件之間的相互影響，尤其是進(jìn)水流道的出口和出水流道的進(jìn)口的邊界條件是未知的，因此必須做出一系列的假定。許多研究表明，這種假設(shè)可能會影響到水泵裝置數(shù)值計(jì)算和性能預(yù)測的準(zhǔn)確性，尤其是對水泵裝置在非設(shè)計(jì)工況下的性能預(yù)測結(jié)果影響更加明顯。海河口泵站流道CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)方法和大型商業(yè)軟件FLUENT，選擇適合海河口泵站特征揚(yáng)程的水力模型，將水泵的葉輪、導(dǎo)葉與進(jìn)出水流道及門槽等過流部件作為整體進(jìn)行水泵裝置全流道數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出水流道的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝置性能預(yù)測，更加符合水泵裝置內(nèi)部流動特點(diǎn)，更加接近工程實(shí)際情況。

對進(jìn)水流道、水泵、出水流道等過流部件組成的水泵裝置內(nèi)部水流運(yùn)動現(xiàn)象進(jìn)行分析、概括、抽象和簡化，并依據(jù)質(zhì)量守恒、動量定律和能量守恒等基本原理，可建立起水泵裝置內(nèi)部流動數(shù)學(xué)模型。在恒定流情況下，基本方程組不包括時間變量而表達(dá)為邊值問題。由于低揚(yáng)程水泵裝置中的水流速度很低，水的黏度和密度變化不大，可近似為不可壓縮，因而可采用時均、不可壓、黏性、恒定流動的Navi?er-Stokes方程，描述水泵裝置內(nèi)部流動三維流場。海河口泵站進(jìn)出水流道CFD優(yōu)化計(jì)算研究根據(jù)原型貫流泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)，開展進(jìn)出水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從內(nèi)部流態(tài)、流道水力損失、泵裝置效率等方面進(jìn)行綜合評價(jià)。流道模型示意，如圖1所示。

圖1 流道模型示意

海河口泵站貫流泵裝置CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的豎井式進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)平順、均勻，出口斷面的軸向流速分布均勻度和入泵水流偏流角分別為97.16%和3.81°，水力損失為0.045 m，能為水泵提供良好的進(jìn)水條件，可滿足水泵高效運(yùn)行的要求。水平剖面流場，如圖2所示。

圖2 水平剖面流場

4.2 水泵裝置模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證進(jìn)出水流道CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，從而更準(zhǔn)確地掌握海河口泵站豎井貫流泵裝置的能量性能、空化性能和飛逸特性等水力性能，確保泵站安全可靠運(yùn)行并高效地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)、社會效益，項(xiàng)目開展初期，揚(yáng)州大學(xué)接受委托同時進(jìn)行該站的泵裝置模型試驗(yàn)研究工作。模型試驗(yàn)于2014年11—12月在揚(yáng)州大學(xué)流體動力工程實(shí)驗(yàn)室高精度泵站試驗(yàn)臺進(jìn)行。試驗(yàn)臺為平面封閉循環(huán)系統(tǒng)，由水力循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。海河口泵站選用經(jīng)南水北調(diào)工程水泵模型同臺測試的TJ04-ZL-07水力模型。模型水泵葉輪直徑Dm= 300 mm，葉片數(shù)z=3，葉輪外殼采用中開結(jié)構(gòu)，以利拆裝及葉片角度調(diào)節(jié)。裝置模型試驗(yàn)進(jìn)出水流道采用已經(jīng)過CFD優(yōu)化后的進(jìn)出水流道，進(jìn)行能量性能試驗(yàn)、空化特性試驗(yàn)以及飛逸特性試驗(yàn)。海河口泵站豎井貫流泵裝置綜合性能曲線（原形），如圖3所示。

圖3 海河口泵站豎井貫流泵裝置綜合性能曲線（原形）

通過裝置試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）海河口泵站豎井貫流泵裝置模型運(yùn)行平穩(wěn)、水力性能較好，水泵選型合理，進(jìn)出水流道水力設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）確定海河口泵站豎井貫流泵裝置主要工況點(diǎn)的性能參數(shù)。

（3）建議水泵安裝高程，保持水泵汽蝕特性較好。

（4）根據(jù)飛逸特性試驗(yàn)結(jié)果，泵裝置的單位飛逸轉(zhuǎn)速隨葉片角度的減小而增大。在葉片角度+1°和最大上下游水位差4.18 m時，飛逸轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（115 r/min）的2倍左右。一般而言，泵站飛逸轉(zhuǎn)速范圍為1.4～1.7倍的額定轉(zhuǎn)速，而電機(jī)制造廠家按1.5倍的額定轉(zhuǎn)速校驗(yàn)機(jī)組安全性。為確保水泵機(jī)組在停機(jī)過程中的安全，建議水泵機(jī)組制造商加強(qiáng)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動部件剛度、強(qiáng)度及潤滑等方面的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)。

5 豎井貫流泵機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)和部件選用

5.1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

海河口泵站采用的葉輪直徑為3 200 mm、轉(zhuǎn)速為115 r/min，配套的同步電機(jī)功率為1 600 kW、額定轉(zhuǎn)速為750 r/min。

5.2 齒輪箱型式的選擇

豎井貫流泵機(jī)組的齒輪箱型式，可采用平行軸齒輪減速箱、同軸（線）行星齒輪減速箱2種。其中，平行軸齒輪減速箱制造技術(shù)成熟、效率高，目前國內(nèi)多個豎井貫流泵站都采用了這種型式的齒輪減速箱；行星齒輪減速箱為同軸線傳動的齒輪箱，采用多個行星齒輪傳遞荷載，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍大等特點(diǎn)，但對設(shè)計(jì)、制造要求較高。豎井貫流泵的上部敞開，高度不受限制，因此推薦選用水泵軸與電機(jī)軸上下平行的平行軸齒輪減速箱。齒輪減速箱傳動比為6.5，傳遞功率為1 600 kW。

5.3 流道型式與斷流方式的選擇

泵站采用平直管式進(jìn)出水流道。上游進(jìn)水流道中間布置電機(jī)豎井，豎井兩側(cè)進(jìn)水；出水流道為平直管，出口采用快速閘門斷流方式。

5.4 機(jī)組安裝高程的確定

水泵安裝高程由吸出高度和進(jìn)水池最低運(yùn)行水位計(jì)算確定。吸出高度計(jì)算公式為：

式中：Pa/Pg為標(biāo)準(zhǔn)條件下的大氣壓力水頭（m），取10.33 m；hc為進(jìn)水流道水力損失（m），包括門槽的水力損失，取0.3 m；Pr/Pg為常溫清水的汽化壓力水頭（m），取0.24 m；K為汽蝕余量系數(shù)，取1.35；Δhr為汽蝕余量（m），按裝置模型試驗(yàn)最大值換算得7.5 m。經(jīng)計(jì)算，hs=-0.34 m。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，水泵葉輪中心需淹沒0.34 m，但參考類似已建工程的經(jīng)驗(yàn)，如南水北調(diào)金湖泵站葉輪中心淹沒4.45 m，葉片頂緣淹沒2.775 m；南水北調(diào)泗洪泵站葉輪中心淹沒4.47 m，葉片頂緣淹沒2.945 m。根據(jù)進(jìn)出水流道型式及水泵結(jié)構(gòu)尺寸布置，考慮到泵站運(yùn)行的可靠性要求以及以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定葉輪頂緣淹沒在下游最低水位不少于2.0 m。

由于豎井貫流泵的電機(jī)、齒輪箱、推力軸承等設(shè)備均安裝在通風(fēng)條件差的豎井內(nèi)，很難通過自然散熱來保證井內(nèi)機(jī)電設(shè)備的溫升在安全范圍內(nèi)，特別是保證電機(jī)的溫升。這就需要采取一定的冷卻措施，在對比風(fēng)冷、空調(diào)和水冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)后，綜合考慮冷卻效果、安全可靠性和維修成本等因素，采用水冷卻系統(tǒng)。

5.5 水泵導(dǎo)軸承的選擇

國內(nèi)已建成大型臥（斜）式機(jī)組泵站10多座，采用的水導(dǎo)軸承型式大體上有3類：①滾動軸承；②水潤滑非金屬材料軸承；③巴氏合金滑動軸承。水潤滑非金屬材料軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、運(yùn)行維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，但存在著承載力低、累計(jì)運(yùn)行時間短等問題；滾動軸承密封要求高，適用于中小型機(jī)組；稀油潤滑巴氏合金軸承承載力大、技術(shù)上可靠、使用壽命長，但軸承造價(jià)較高，適用于大型機(jī)組或可靠性要求較高的機(jī)組。海河口泵站選用稀油潤滑巴氏合金軸承，由高位油箱保持軸承及油封內(nèi)的油壓恒定。

6 結(jié)語

豎井式貫流泵是一種新型的水泵，近年來在南方江蘇等省已經(jīng)開始應(yīng)用。如，南水北調(diào)東線徐州市邳州站采用4臺豎井貫流泵，三用一備，總設(shè)計(jì)流量100 m3/s；南通九圩港提水泵站采用5臺豎井貫流泵，總設(shè)計(jì)流量150 m3/s。豎井貫流泵具有符合水流條件、效率高等特點(diǎn)，特別適合于低揚(yáng)程、大流量的泵站。海河口泵站采用前置式豎井貫流泵，就是利用該特點(diǎn)。

天津市海河口泵站采用前置式豎井貫流泵。工程于2014年底開工，2016年汛前水下部分完工，在天津“7·20”大暴雨中緊急開泵運(yùn)行，極大地緩解了天津市區(qū)及海河干流兩岸的排水壓力，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]關(guān)醒凡，商明華.不同型式貫流泵裝置模型特性試驗(yàn)研究[J].水泵技術(shù)，2010（4）：5-8.

[2]成立，薛堅(jiān).CFD技術(shù)在泵裝置水力優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技，2007，5（3）：33-34.

[3]金燕，劉超.大型貫流泵內(nèi)部流動數(shù)值模擬和特性分析[J].水泵技術(shù)，2010（1）：26-30.

TV856；TV675

A

1004-7328（2017）03-0056-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.018

2017—02—07

毛少波（1976—），男，高級工程師，主要從事水利工程勘測設(shè)計(jì)工作。