化子閘泵站機組選型分析

湯 泳，游孟陶

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

寧波市姚江流域洪澇災害相對頻繁，流域防洪排澇工程體系亟待完善。姚江二通道（慈江）工程利用慈江分洪部分姚江干流洪水，經江北、鎮海河道直排入海，擴大姚江干流的東排能力，同時完善提升江北、鎮海平原的防洪排澇能力。

化子閘泵站工程為姚江二通道（慈江）工程三級接力泵站的中間一級，擬建于慈江干流現狀化子閘處。泵站規劃設計排澇流量為150 m3/s，與現有化子閘進行聯合調度運行，肩負著區域防洪排澇的重要任務，工程安全極其重要。泵站的設計凈揚程僅0.32 m，低于常規的特低揚程泵站，最大凈揚程為1.22 m，接近設計凈揚程的4倍。揚程低、變幅大，給水泵選型帶來一定的困難。水泵選型應以安全可靠為目標，滿足在揚程范圍內裝置效率高、空化性能良好等要求，水泵選型的合理性直接關系到泵站工程的投資、建成后的運行和維護成本[1-2]。

1 泵型選擇

化子閘泵站屬特低揚程、大流量泵站，立式泵和斜軸泵難以在特低揚程下獲得較高效率，因此宜采用裝置效率較高、開挖深度淺且便于維護的臥式泵裝置。根據已建工程經驗，目前應用廣泛的泵型有燈泡貫流泵、豎井貫流泵和平面S形軸伸泵[3-4]。

燈泡貫流泵將電動機和齒輪箱安裝在進水側（前置）或出水側（后置）的一個燈泡形金屬殼體中，結構緊湊、裝置效率高，但結構相對復雜，技術要求也較高；國內燈泡貫流泵裝置技術還不成熟，需引進國外的技術和設備，造價很高。豎井貫流泵將電動機、齒輪箱布置于流線型豎井中，水流從豎井兩側引入水泵，水流方向直進直出，與泵軸方向一致；該泵型具有水力性能良好、結構簡單、泵站開挖深度較小、機組造價低、運行安全可靠、管理和維護方便的優點。平面S形軸伸泵將進、出水流道平面彎曲后主軸伸出流道外，電動機布置在流道外地面，設備安裝維護方便；但對于大流量泵站，平面S形軸伸泵的機組間距比較大、土建費用高，另外由于S形流道有兩個轉彎，對水力損失、泵裝置效率有一定的影響，水力條件不如貫流泵[5-7]。

因此從泵房結構布置、工程投資、水泵裝置效率、管理維護方便性等方面綜合比較，選用豎井貫流泵較適合本文工程。

2 機組臺數比選

根據泵站工程實踐經驗，機組臺數少、泵站占地面積小，土建投資一般較省，且安裝維修工作量少；其缺點是運行調度不靈活，當某臺機組發生故障時對總排水量影響較大。機組臺數多，則優缺點與上述恰好相反。主泵臺數應根據工程具體情況進行綜合技術經濟比較后，并結合水泵生產能力確定。本文工程選擇3臺、4臺和5臺機三個方案進行技術經濟比選，機組參數和主要土建尺寸見表1。

表1 不同機組臺數方案比較表

由表1可以看出，4臺機方案具有以下優勢：

（1）運行調度靈活。雖然3臺泵方案綜合費用較少，但化子閘泵站為姚江東排梯級提升泵站的中間一級，排澇流量調節要求較高，采用4臺豎井貫流泵方案，運行調度較為靈活，減少對上下級泵站聯合運行的影響。

（2）工程投資較省。本文工程原址為農田，泵站工程范圍均需開挖，故泵站寬度不宜太大，相較5臺機方案，4臺機泵房土建工程量較小，較為經濟。

經綜合比較分析，本文工程采用4臺豎井貫流泵方案。

3 水力模型選擇及性能參數

近年來豎井貫流泵在低揚程大流量泵站中得到廣泛應用，不少泵站工程還進行了水泵裝置模型試驗。對于類似的大型泵站工程建設，可直接采用已有模型泵裝置性能曲線進行水力性能的分析與比較，并借助水泵相似律，計算水泵葉輪直徑和轉速。較以往采用泵段模型曲線進行水泵選型，更能準確預測原型泵的性能，確定更合適的技術參數。

在水利部天津同臺測試的水泵模型試驗成果中，選擇接近本文工程揚程段的TJ04-ZL-07號水力模型，根據進、出水流道優化設計成果，在河海大學試驗臺進行了泵裝置模型試驗，對泵裝置性能進行了預測，最終確定原型泵葉輪直徑為3 900 mm，轉速為60 r/min。

泵裝置模型試驗結果表明：在全揚程范圍內水泵可穩定運行；模型最高裝置效率為76.35%，對應的葉片安放角為+2°，對應的揚程為1.20 m，對應原型流量為34.51 m3/s；安裝角為+2°，最低揚程（0.5 m）、設計揚程（0.72 m）和最高揚程（1.52 m） 的裝置效率分別為61.55%、70.76%、73.44%；水泵模型裝置最小汽蝕余量發生在葉片安放角為-4°時，臨界汽蝕余量為3.01 m，對應揚程為0.8 m。換算后的原型泵裝置性能曲線如圖1所示。

圖1 化子閘泵站原型泵裝置性能曲線

4 水導軸承結構設計

導軸承是大型水泵的關鍵部件，起著承受水泵轉動部件徑向力、穩定葉輪轉動的作用，對臥式泵機組、導軸承還要承受轉動部件的自重。如果導軸承磨損過大或損壞，則會造成機組軸線動擺度增大、振動加劇，甚至發生葉片碰殼事故。化子閘泵站葉輪直徑3 900 mm，轉速只有60 r/min，是目前國內最大直徑和最低轉速的豎井貫流泵，其結構設計的關鍵和薄弱點是水導軸承，要求在特低轉速下能夠形成油膜[8-9]。

水導軸承安裝在導葉體轂內，作為泵軸的主要徑向支承，采用巴氏合金材料制作，具有耐磨性好、性能穩定、使用壽命長的特點。采用球面微動支座，以增加其自動調心功能，使軸瓦受力均衡。軸瓦與軸承座為分體式結構，便于更換軸瓦。導軸承及其支座具有足夠強度和剛度，以承受最大徑向荷載，避免有害振動。導軸承采用稀油潤滑，并設油封裝置、溫度監測裝置。軸承穿軸端采用三道骨架密封圈加一道防沙圈密封，以防止水進入軸承內而產生燒瓦現象，防止油漏出而污染水源。

導軸承的直徑為470 mm，采用計算軟件進行分析計算。計算結果表明：軸承進油溫度40°時，在額定轉速60 r/min情況下運行，軸承平均溫度44.2℃≤80℃，軸承能夠安全運行，軸承最小油膜厚度0.082 86 mm≥0.009 mm，能滿足使用要求；在最大轉速120 r/min情況下運行，軸承最小油膜厚度0.120 3 mm≥0.009 mm，能滿足使用要求，軸承比壓0.515 MPa≤1.5 MPa，滿足軸承安全運行條件；可滿足安全運行的最小油膜厚度約為0.009 mm，是在轉速為11 r/min時。水導軸承油膜壓力分布圖和最小油膜厚度曲線如圖2、圖3所示。

圖2 水導軸承油膜壓力分布圖

圖3 水導軸承最小油膜厚度曲線

5 結語

（1）化子閘泵站設計凈揚程僅為0.32 m，屬特低揚程泵站，根據多方案比較和分析，選擇了豎井貫流泵裝置，具有水力性能良好、結構簡單、投資省、運行維護方便的優點。

（2）通過泵裝置模型試驗驗證，化子閘泵站采用TJ04-ZL-07號水力模型，可獲得較高的裝置效率；選擇了4臺葉輪直徑3 900 mm、轉速60 r/min的豎井貫流泵方案，運行調度靈活，工程投資較為節省。

（3）計算表明，采用巴氏合金油潤滑水導軸承，在額定轉速下油膜厚度為0.082 86 mm，能夠滿足大口徑、特低轉速泵站安全運行條件。