近年來，我國開發(fā)出了一系列高性能低揚程泵的水力模型，其性能指標已達到國際先進水平。但忽視了對大泵機組結(jié)構(gòu)功能的研究，有些泵站機組結(jié)構(gòu)功能設計選用不合理，經(jīng)常發(fā)生故障，個別泵站甚至建成數(shù)年一直不能正常運行，影響功能的發(fā)揮。在即將開工興建的南水北調(diào)等重點工程泵站的建設和20世紀60～70年代建設的大型泵站更新改造中，應特別注意對泵機組的結(jié)構(gòu)功能的研究，有必要對我國大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)功能特點進行分析和比較。
1、大型低揚程水泵機組基本結(jié)構(gòu)形式
1.1、水泵結(jié)構(gòu)形式大型低揚程水泵大多采用軸流式葉輪，僅有6HL、3HL、1400HL216等少數(shù)幾種泵型采用混流式葉輪。葉輪直徑D=1.20～5.70m，單泵流量Q=5.0～97.5m3/s，配套功率N=500～7000kW，額定轉(zhuǎn)速n=250～75r/min，單站臺數(shù)2～20臺。
大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)形式多樣。按軸線形式，有立式（彎管式、井筒式、圬工式、雙蝸殼式、箱涵式及抽芯式）、斜式（15°、30°、45°）和臥式（平面S式、水平軸伸式、貓背式及貫流泵機組）等。
立式彎管式水泵特點是有一60°金屬彎管，在彎管上部和導葉體內(nèi)設有2只導軸承，適用于葉輪直徑D=1.20～2.00m的水泵。立式圬工式水泵的出水彎管用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑而成，泵軸穿出處設有密封，采用的水泵有D=2.80、4.00、4.50m軸流泵、D=2.85、5.70m雙蝸殼式混流泵。立式井筒式水泵安裝在現(xiàn)澆混凝土井筒內(nèi)，所有部件均可由井筒吊入安裝，上部金屬泵蓋與井筒配合形成彎管。其中，葉輪外殼、進水伸縮節(jié)及導葉體的下半部分裸露在水泵層的結(jié)構(gòu)稱半井筒式，目前有D=2.00、3.10m軸流泵采用；水泵全部包圍在井筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)，稱全井筒式。立式箱涵式水泵是近年來發(fā)展起來的，它適用于內(nèi)外水位變化頻繁、高低交錯的沿江圩區(qū)特低揚程雙向雙層流道泵站，這種結(jié)構(gòu)上下層流道僅有一板所隔，可以提灌和提排，也可利用底層流道自流灌溉和排澇。在泵軸穿出上層流道處設有泵蓋和密封，與井筒式相似。
SEZ系列混流泵采用了立式抽芯整體吊裝式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適用于D≤2.20m的中型導葉式混流泵。
大型斜式和臥式水泵外殼部件一般采用鑄鋼或鑄鐵件，常做成上下對開式，以便于安裝與檢修?？紤]到出水流道等站房結(jié)構(gòu)布置，電機體積不允許過大，只能采用體積小、極數(shù)少、轉(zhuǎn)速高的同步電機，需設齒輪箱變速。
1.2、電機結(jié)構(gòu)形式我國采用同步電機，型式有立式電動機、立式可逆雙速電機、立式雙速電動機、斜式或臥式電動機等。斜式和臥式電機體積小，轉(zhuǎn)速高，為整體式結(jié)構(gòu)，安裝簡便，與水泵之間設有變速裝置，電機不承受軸向水推力。立式直聯(lián)電機體積大，出為分散式結(jié)構(gòu)，需在泵站進行部件組合安裝，安裝要求高，技術(shù)性強[2].2800kW以上的立式電機在下機架上設有制動與頂車裝置，5000kW及以上的立式電機推力軸承設有液壓減載裝置，并采用空氣冷卻器封閉通風結(jié)構(gòu)。
2、大型低揚程水泵機組結(jié)構(gòu)功能分析比較
2.1、安全穩(wěn)定性軸流泵與混流泵整個流量范圍內(nèi)的特性差異很大。葉片角度一定，混流泵高效區(qū)寬于軸流泵。軸流泵接近零流量時，揚程和功率很大，約為設計值的2～3倍，且小流量區(qū)（高揚程）運行不穩(wěn)定，起動揚程高、功率大，易振動，用閘門或快速閘門斷流時，停機門體下降時刻和速度難以控制，容易造成閉閥運行而過載，或倒轉(zhuǎn)飛逸，影響機組和泵站安全?；炝鞅肣—N曲線比較平緩，機組起動和停機斷流比較容易。在揚程、過流面積、流速相同的情況下，導葉式混流泵葉輪產(chǎn)生的軸向水推力小于軸流式葉輪，電機推力軸承荷載較小。采用拍門斷流的泵站，拍門長期浸沒在水下，受出水的沖擊擺動，門鉸容易銹蝕和疲勞破壞而致拍門沖落，造成停機倒流；拍門關(guān)閉對流道出口的撞擊力很大；出水池泥沙淤積阻礙拍門開啟，容易造成機組起動過載（如江西八里湖泵站）。這些都會影響工程和機組安全。
進水流道（特別是雙向進水流道）設計不合理，流態(tài)紊亂，容易形成渦帶，加重汽蝕和振動；雙向出水流道也容易造成機組振動[3]；虹吸出水流道挾氣能力不夠，容易長期存氣，振動不止。
2.2、可靠耐久性（1）單站機組臺數(shù)與容量。泵站裝機流量一定，機組臺數(shù)取決于單機容量。機組大，效率高，但站房基礎(chǔ)開挖深。部件體積大，制造、安裝、檢修和運輸困難，有些關(guān)鍵部件技術(shù)性能不過關(guān)。單站臺數(shù)過少，運行保證率低。若僅設2臺機組，1臺發(fā)生故障后，抽水量僅為50%；若1臺備用，則機組過大，造成浪費。相反，泵站裝機容量小、臺數(shù)過多，則運行管理不便，站房太長，占地面積大，前池和出水池開挖長度大，增加土建投資。
（2）水泵導軸承失效問題。巴氏合金導軸承承載能力大，但結(jié)構(gòu)復雜，特別是水密封結(jié)構(gòu)不可靠，大量漏水進入導葉體輪轂腔，容易進入油軸承，常常是機組還未到大修時間，甚至剛安裝運行不久，由于浸水，軸承和軸頸嚴重拉毛、剝落，間隙增大，導致葉片碰殼。據(jù)江蘇省江都抽水站不完全統(tǒng)計，所有大泵油軸承都浸過水，單站平均每年發(fā)生4.8次以上，10年內(nèi)單泵最多發(fā)生18次之多[4].
非金屬水潤滑導軸承不存在浸水受損問題，但承載能力低，用于臥式和斜式泵時，工作荷載大，易因偏磨而損壞，壽命短。如浙江鹽官下河斜15°水泵P24酚醛塑料軸承運行壽命只有數(shù)百小時；江蘇新夏港斜30°水泵P23酚醛塑料軸承清水潤滑，運行300h，軸承及軸頸出現(xiàn)明顯偏磨和凹痕，運行500h，磨損0.5mm，停止運行，以防葉片碰殼。對大型斜式和臥式水泵，金屬導軸承易浸水失效，非金屬軸承壽命又短，故其可靠性和耐久性較差。
立式泵導軸承雖然工作荷載小，非金屬導軸承采用河水潤滑，或采用清水潤滑，但密封結(jié)構(gòu)不可靠時，河水中的泥沙進入軸承間隙，經(jīng)軸頸的擠壓嵌入軸承，磨損軸頸，被磨毛糙的軸頸反過來加速軸承的磨損，惡性循環(huán)，軸承磨損加劇，軸頸面層很快大片剝落，葉片間隙增大，造成葉片碰殼。
（3）水泵汽蝕。nD過大，安裝高程過高，進水流道設計不合理，都會加重水泵汽蝕。翼型汽蝕和間隙汽蝕嚴重時，過流表面成蜂窩狀，葉片邊緣剝落，間隙增大，效率降低，甚至外殼穿孔，汽蝕處理頻繁，影響機組的耐久性。
（4）電機故障。推力軸承是立式電機最關(guān)鍵的易磨易損部件，軸瓦燒損是常見故障，占電機故障的70%～80%.安裝質(zhì)量差、運行揚程高是直接原因，其根本原因是軸承過載和結(jié)構(gòu)不合理。據(jù)統(tǒng)計，軸承荷載率ε>019時容易燒瓦，而ε<018很少出現(xiàn)燒瓦事故[5].
立式機組電機位置高，運行環(huán)境與通風散熱條件好。采用自然空氣靠轉(zhuǎn)子磁軛上下風扇造成的壓力或風機形成的真空迫使熱空氣從定子出風洞流出，外界冷空氣經(jīng)上下通風口進入補充，空氣中的大量灰塵與油缸內(nèi)潤滑油因溫度升高和擾動而汽化的油霧混合，積聚在定子鐵芯線圈上及通風槽內(nèi)，嚴重影響散熱和絕緣，往往迫使電機提前大修，清洗工作量很大。
貫流泵機組長期浸沒在水下，燈泡體內(nèi)壁結(jié)露很難解決，環(huán)境濕度大，密封絕緣要求高，可靠性較差。
2.3、安裝檢修性大型水泵機組安裝要素有高程、水平、中心、同心、擺度、軸承受力、間隙等[6].ZL13.5-8配1600kW電機、2.8ZLQK-7.0配TDL325/56-40電機等機組結(jié)構(gòu)不合理，機組部件不能按正常程序安裝，安裝質(zhì)量不能保證。斜式、臥式機組安裝盤車困難，軸線擺度難以測量調(diào)整。貫流泵、箱涵式水泵、全井筒式水泵外部空間小，安裝操作困難，水泵故障及汽蝕不易發(fā)現(xiàn)，檢修需要拆卸電機和水泵的大部分部件，工作量大。立式圬工式水泵導葉體及以下部件需從泵站專用吊物孔吊入并經(jīng)水泵層運輸通道移至機坑安裝，安裝檢修性差。
立式半井筒式水泵所有部件均可由井筒吊裝，機組四周操作空間大，安裝性好；打開井筒和泵蓋進人孔可對導軸承檢修或更換。拆開縱向?qū)﹂_式葉輪外殼，水泵葉輪完全可見。易損件拆裝工作量小，檢修費用少，檢修性好。
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