全貫流潛水電泵的應(yīng)用及出水端自耦式安裝的穩(wěn)定性分析

曹良軍 劉長(zhǎng)益 鐘躍凡

（益陽(yáng)市水務(wù)局 益陽(yáng)市 413000）

1 概 述

資江位于湖南省中部，全長(zhǎng)653 km，流域面積28 142 km2，穿益陽(yáng)城區(qū)而過(guò)，與洞庭湖相接。益陽(yáng)市位于長(zhǎng)江中下游平原南岸的湘北洞庭湖區(qū)域。防洪、抗旱和排漬是工作之重。在益陽(yáng)城區(qū)，有幾個(gè)排漬泵站建于20 世紀(jì)80年代，臨河而建。前些年城市防洪工程建設(shè)啟動(dòng)，原有單薄的防洪堤被寬大的風(fēng)光帶取代，泵站成了鑲嵌在風(fēng)光帶里的一個(gè)小點(diǎn)，這就要求泵房既小巧又精致，甚至沒(méi)有泵房只需建一個(gè)小型控制房，從而對(duì)水泵也有了新的要求。在這種特定的要求下，一種口徑和長(zhǎng)度幾乎一樣的泵，其造型獨(dú)特，構(gòu)造簡(jiǎn)單的泵應(yīng)運(yùn)而生。這種泵叫全貫流潛水電泵。其構(gòu)造見(jiàn)圖1。

全貫流潛水電泵的另一個(gè)特點(diǎn)是： 電機(jī)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(zhuǎn)速、兩種揚(yáng)程和兩種流量，更加符合泵站的實(shí)際情況，也更節(jié)能。在以往的泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中，我們經(jīng)常遇到一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，平時(shí)排漬靠自流渠道，只有當(dāng)外河水位漲至與內(nèi)湖水位相平，且遇大雨當(dāng)外河水位高于內(nèi)河水位時(shí)才啟動(dòng)水泵機(jī)組排漬，此時(shí)實(shí)際揚(yáng)程幾乎為零，泵站揚(yáng)程也就（2～3）m，隨外河水位上漲，揚(yáng)程才慢慢增加，直至外河水位漲至最高，揚(yáng)程達(dá)到最大。由于益陽(yáng)城區(qū)所處的地域環(huán)境和水文特征，決定泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程一般在（2～10）m 范圍內(nèi)，而主要運(yùn)行的揚(yáng)程在3 m 左右。這就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：我們不得不選擇高揚(yáng)程的泵，而大部分時(shí)間在3 m 左右的低揚(yáng)程下運(yùn)行，這一矛盾導(dǎo)致水泵機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行點(diǎn)工況差，效率低，浪費(fèi)資源。雙速電機(jī)雙揚(yáng)程全貫流潛水電泵能從根本上解決這一問(wèn)題。

圖1 構(gòu)造圖

2 全貫流潛水電泵在東門口泵站改造中試用

益陽(yáng)城區(qū)東門口泵站為一老泵站，始建于1985年，安裝3 臺(tái)常規(guī)軸流泵，分別為2 臺(tái)55 kW 口徑500 mm 泵和1 臺(tái)155 kW 口徑700 mm 泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程均為3.7 m。因外河設(shè)計(jì)水位提高，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程需增加2.3 m，故泵站改造時(shí)只能更換水泵。為了有所比較，且保證在各種內(nèi)外水位組合下達(dá)到滿意的排水效果，我們選擇了1 臺(tái)135 kW 700 mm 井筒式安裝的潛水軸流泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.7 m，兩臺(tái)雙速500 QWZ-70 全貫流潛水電泵。其中全貫流潛水電泵采用導(dǎo)軌組件導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)。這2 臺(tái)雙速全貫流潛水電泵在不同轉(zhuǎn)速（n=590 r/min，10 極及n=730 r/min，8 極）下的具體參數(shù)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(shù)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(shù)表（n=730 r/min,葉輪直徑D=605 mm）

圖2 安裝改造圖

經(jīng)過(guò)兩種泵型的運(yùn)行比較，我們認(rèn)為全貫流潛水電泵的主要優(yōu)勢(shì)是振動(dòng)小，噪音小，目測(cè)流量大，改造方便，運(yùn)行時(shí)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(shè)中應(yīng)用

清水塘泵站是益陽(yáng)城區(qū)資江以北區(qū)域的排漬骨干泵站，設(shè)計(jì)裝機(jī)3 560 kW，流量27 m3/s，屬拆除原有小泵站移址重新建設(shè)項(xiàng)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(yán)重阻礙城市的發(fā)展。新的建設(shè)方案將泵房移至靠近防洪大堤內(nèi)側(cè)，而此處為流沙地基，為了減少施工難度，節(jié)約工程造價(jià)，基礎(chǔ)開(kāi)挖深度越小越好。因此在選泵時(shí)，我們將最小淹沒(méi)深度作為重點(diǎn)考慮內(nèi)容。經(jīng)過(guò)對(duì)全貫流電泵與常規(guī)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(chǔ)開(kāi)挖深度1.7 m，為減小施工難度，搶在次年汛期到來(lái)之時(shí)開(kāi)機(jī)排漬創(chuàng)造有利條件。由于排漬泵1年中運(yùn)行的時(shí)間很短，我們放棄了雙速電機(jī)的方案。

（1）泵站裝機(jī)情況。清水塘泵站裝機(jī)8 臺(tái)，其中90 kW 機(jī)組3 臺(tái)、250 kW機(jī)組1 臺(tái)、670 kW 機(jī)組4 臺(tái)，各機(jī)組參數(shù)列表3。綜合性能曲線圖見(jiàn)圖3。

（2）泵站建設(shè)情況。清水塘泵站于2011年10月21日破土動(dòng)工。為了在少雨枯水期完成主體工程，趕在來(lái)年主汛期到來(lái)之前能夠防汛排漬，工程日夜施工，并對(duì)施工設(shè)計(jì)進(jìn)行了兩個(gè)重點(diǎn)優(yōu)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(chǎn)生；二是背水一戰(zhàn)，取消導(dǎo)流管鋪設(shè)，減少了一個(gè)施工環(huán)節(jié)，先是利用疏通渠涵導(dǎo)流，后是利用新建成的工程導(dǎo)流，充分發(fā)揮全貫流泵安裝快捷的優(yōu)勢(shì)，邊施工邊導(dǎo)流邊安裝水泵。2011年農(nóng)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(kāi)始主泵房壓力水箱和內(nèi)自排涵管建設(shè)；3月9日，一場(chǎng)大雨過(guò)后，老清水塘泵站排漬，漬水直接排入新建涵管，工程開(kāi)始順利導(dǎo)流；5月13日，大雨再次來(lái)臨，外河水位陡漲，4 臺(tái)水泵順利開(kāi)機(jī)排漬。這一工程從破土動(dòng)工到首批水泵運(yùn)行，僅僅耗時(shí)204 天（含春節(jié)假期和雨雪天氣），全貫流泵的選擇和設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化起到了關(guān)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(jī)組參數(shù)

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(wěn)定性分析

提出并實(shí)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(wěn)定判據(jù)。出水端推力自耦式安裝方式是現(xiàn)有污水泵自耦安裝方式的一種創(chuàng)新。這種新型安裝方式可以在不需要裝拆一個(gè)螺栓，就可以完成泵在機(jī)坑內(nèi)的安裝，大大提高了快速性，而且沒(méi)有安裝接縫的水力損失，實(shí)踐證明1 臺(tái)670 kW 大型全貫流潛水電泵可在20 min 內(nèi)完成安裝或者拆卸作業(yè)。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(chǎn)的中大型全貫流潛水軸流泵的出口、進(jìn)口直徑已達(dá)1 400 mm，Q=5.65 m3/s，H=8.54 m，N=670 kW，泵重G=11.8 t，在益陽(yáng)清水塘泵站中采用此安裝方式投入工程實(shí)踐。如果仍運(yùn)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(duì)出水管下端法蘭產(chǎn)生很大的彎矩 最終作用在壩的立面上，增加了土建工程結(jié)構(gòu)的受力。其次推力自耦圓柱，不希望與出水管法蘭過(guò)于靠近，否則會(huì)增加全貫流潛水電泵吊入自耦位置的安裝難度。為此對(duì)口徑≥900 mm 的全貫流潛水電泵開(kāi)發(fā)了如圖1 的出水端推力自耦安裝方式。主要特點(diǎn)是原安裝在出水管上的自耦推力斜面，現(xiàn)預(yù)埋在進(jìn)水流道混凝土隔墩上，重力G 直接作用于隔墩并傳遞到進(jìn)水流道的底板上。

為保證推力自耦安裝方式在運(yùn)行狀態(tài)下是穩(wěn)定的，應(yīng)滿足以下理論力學(xué)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(dāng)Fx>Fw時(shí)，剩余即密封“O”型圈的正壓力Fm。

當(dāng)Fw=0 時(shí)，即由式（2）得Fx=Fw代入式（1）

式（5）代入式（4）得

作為最簡(jiǎn)單情況，如y1=R，則

由式（6）可見(jiàn)，α 越大，x1越小，F(xiàn) 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(chǎn)生的X方向分力，在泵未運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)w=0 Fx=Fm，即Fx被“O”型橡膠圈的彈性所平衡，當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)，泵產(chǎn)生的軸向力，其方向與Fx方向相反，由于產(chǎn)生了運(yùn)行的軸向力，按式（2）Fm將減小，當(dāng)Fm減小為0 時(shí)，說(shuō)明密封面被推開(kāi)，密封失效。

當(dāng)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(guān)。

上側(cè)“O” 型橡膠密封圈提供的密封反力為：Fm1=

下側(cè)“O”型橡膠密封圈提供的密封反力為：Fm2=

因此，當(dāng)y1≠0 時(shí)，判定密封面是否被打開(kāi)的穩(wěn)定判據(jù)是下側(cè)“O”型橡膠密封圈是否被打開(kāi)，顯然水泵運(yùn)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(yùn)行穩(wěn)定，密封面不被打開(kāi)的通用判據(jù)。

（1）當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)，有指向斜面的水推力，會(huì)不會(huì)形成使推力耦合柱沿斜面爬升導(dǎo)致“O”型橡膠密封圈下沿，甚至整個(gè)被推開(kāi)？只要注意到泵的重量G是向下的，在設(shè)計(jì)時(shí)注意選擇角α、x1和y1就能滿足式（7）的判據(jù)；

（2）從式（7）看，XG比x1大得越多，式（7）越能滿足，也就越穩(wěn)定。但如圖1 所示是重力所在位置在自耦推力斜面支點(diǎn)的外面，重力G 會(huì)產(chǎn)生結(jié)合面“O”型橡膠密封圈向上爬的彎矩，會(huì)不會(huì)有結(jié)合面向上脫開(kāi)的危險(xiǎn)？ 在設(shè)計(jì)時(shí)如不注重這個(gè)問(wèn)題的細(xì)節(jié)，是有可能發(fā)生的。關(guān)鍵是設(shè)計(jì)時(shí)要注意出水管道法蘭寬度有足夠的寬度，當(dāng)“O”型橡膠密封圈發(fā)生軸向變形時(shí)，“O”型橡膠密封圈所在的泵體法蘭面繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)保證“O”型橡膠密封圈未超出法蘭的寬度，則是穩(wěn)定的。如果在設(shè)計(jì)時(shí)，取XG=x1，y1=R 時(shí)，則能徹底解決這一擔(dān)心。此時(shí)穩(wěn)定判據(jù)式（7）也簡(jiǎn)化成

要滿足穩(wěn)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(dāng)（90°-α）橡膠密封圈與鋼鐵的摩擦自鎖角β=tg-1（0.18）=11°時(shí)，會(huì)發(fā)生自鎖，使起吊泵發(fā)生困難。因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)，把穩(wěn)定判據(jù)取值為：

對(duì)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(shù)k=2.5，即與沿垂線的夾角為26.5°，工程圖制作時(shí)取為24°。

（3）出水端推力自耦式密封安裝方式與進(jìn)出端方式的比較。如將出水密封改為進(jìn)水端密封，斜面推力方向與運(yùn)行時(shí)水推力方向是一致的。根本無(wú)須對(duì)耦合的穩(wěn)定性進(jìn)行判別，是一種結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定的裝置。對(duì)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(zhì)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(yùn)行間隔期，快速提泵，進(jìn)行沖洗、防銹，以加強(qiáng)運(yùn)行管理來(lái)提高適應(yīng)性、可靠性和使用壽命。

表4 對(duì)比表

（4）進(jìn)口漩渦的處理改造。當(dāng)時(shí)為了減少開(kāi)挖深度，我們?cè)趶S家承諾的基礎(chǔ)上盡量將最小淹沒(méi)深度壓到了最小。但運(yùn)行證明，當(dāng)670 kW 口徑1 400 mm 水泵在淹沒(méi)深度降至1 m 左右時(shí)，進(jìn)水開(kāi)始出現(xiàn)漩渦，此時(shí)水泵振動(dòng)加大，噪音增加，出水流量減小。判斷為進(jìn)水流道中的水流出現(xiàn)了明顯的液面渦帶，渦帶呈漏斗狀進(jìn)入全貫流泵的葉輪，吸入空氣產(chǎn)生的。為消除液面渦帶及由漩渦發(fā)生的渦帶，在泵的進(jìn)口部分設(shè)置壓水板的方法經(jīng)驗(yàn)及CFD 分析的結(jié)論是有效的。為此發(fā)展了簸箕型進(jìn)水流道主要特征即有一個(gè)壓水板。按這一經(jīng)驗(yàn)及分析，2012年，我們?cè)囍O(shè)計(jì)了一個(gè)鋼制的喇叭型收縮壓水板安裝在水泵進(jìn)口處，經(jīng)過(guò)幾次運(yùn)行，證明這一簡(jiǎn)單裝置對(duì)消除進(jìn)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(jī)達(dá)到了預(yù)期效果。喇叭口改造如圖6。

圖6 喇叭口改造圖

5 結(jié) 語(yǔ)

從2012年5月13日首批4 臺(tái)水泵運(yùn)行至今，工程邊建設(shè)邊運(yùn)行，其中經(jīng)歷了模擬最高揚(yáng)程運(yùn)行和流量測(cè)定，還經(jīng)歷了進(jìn)水口技術(shù)改造，7 臺(tái)水泵（因資金問(wèn)題尚有1 臺(tái)670 kW 機(jī)組未訂貨安裝）共運(yùn)行1 765 臺(tái)·時(shí)。從整體上看，是極為理想的。

（1）減少泵房基坑開(kāi)挖1.7 m，大大減少了施工時(shí)流沙處理的難度，減少了工程量，節(jié)約工程資金數(shù)百萬(wàn)元。

（2）水泵機(jī)組安裝便捷，邊建設(shè)邊受益，為2012年江北城區(qū)安全排漬度汛贏得了時(shí)間。

（3）這種潛水電泵本身具有以下優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低、流量大、效率高，在安裝維護(hù)方面，由于體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于吊裝搶修和維護(hù)，給管理帶來(lái)許多便利。

需要說(shuō)明的一點(diǎn)是： 清水塘泵站選用設(shè)計(jì)揚(yáng)程為8.54 m 水泵，實(shí)際大部分時(shí)間在3 m 左右低揚(yáng)程（泵站揚(yáng)程）下運(yùn)行，按理此時(shí)工況是不佳的。是因?yàn)榭紤]每年運(yùn)行時(shí)間較少，才退而求其次的。如果水泵經(jīng)常需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，且揚(yáng)程跨度大，選用雙速電機(jī)泵是最好的。另外，濕電機(jī)在水質(zhì)惡劣條件下抗老化能力有待時(shí)間考驗(yàn)，濕式電機(jī)效率是否可進(jìn)一步提高，有待研究。