大型低揚程泵裝置現(xiàn)狀及發(fā)展方向

戴啟璠

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200）

江蘇省平原面積和水域占全省國土面積85.7%，其占比之大居全國各省區(qū)之首。江蘇獨特的自然條件決定了低揚程泵裝置在江蘇泵站工程中得到了廣泛的應(yīng)用。自20世紀60年代江都排灌站建成以來，江蘇已建成各種類型的大型低揚程泵站數(shù)百座，在跨流域調(diào)水、城市水環(huán)境改造、區(qū)域排澇等方面發(fā)揮了重要作用。

1 低揚程泵裝置的分類和特點

低揚程泵裝置按照機組結(jié)構(gòu)分為立式泵裝置、斜式泵裝置和臥式泵裝置，3種泵裝置型式見圖1。

圖1 3種泵裝置型式

立式泵裝置按進出水流道分類，立式泵裝置的進水流道按水流方向可分為單向進水流道和雙向進水流道，出水流道按水流方向可分為單向出水流道和雙向出水流道。立式泵裝置是大型泵站應(yīng)用最多的一種型式，江都排灌站的4座泵站都是單向立式泵裝置。斜式泵裝置按傾斜角度分類：斜式泵裝置的傾斜角度有15°、30°、45°和75°。江蘇新廈港泵站安裝斜15°的斜式泵，上海張家塘安裝斜30°的斜式泵，內(nèi)蒙古紅圪卜安裝斜45°的斜式泵。臥式泵裝置有貫流式、軸伸式、豎井式。貫流式有全貫流式、前置燈泡式、后置燈泡式。軸伸式有前軸伸式和后軸伸式，有立面軸伸式和平面軸伸式。豎井式有前置豎井式和后置豎井式。圖2是全貫流式泵示意圖。圖3是淮安三站后置燈泡貫流泵示意圖。

圖2 全貫流式泵示意圖

圖3 淮安三站后置燈泡貫流泵示意圖

不同型式的泵裝置具有各自的優(yōu)點和缺點。立式泵裝置具有電機工作環(huán)境好，水泵導(dǎo)軸承荷載較小，安裝檢修相對方便，設(shè)計和制造技術(shù)成熟等優(yōu)點，但水流從立式泵裝置進水流道入口到出水流道出口，有2個接近90°的轉(zhuǎn)彎，水流流向的改變?nèi)菀滓鹚髅摿鳎痪鶆虻牧魉俜植伎赡軙a(chǎn)生旋渦、渦帶等。立式泵裝置的高度較大，不適合用于特低揚程的大型泵站。斜式泵裝置具有構(gòu)造簡單緊湊，開挖量較小，廠房高度低，泵房底板受力均勻等優(yōu)點。相對于立式泵裝置而言，斜式泵裝置的進水流道水流轉(zhuǎn)向角度小于90°，阻力損失小，其出水流道轉(zhuǎn)角也小于90°，水力性能相對較好。斜式機組的電動機位置較高，具有與立式泵裝置類似的通風良好的優(yōu)點。臥式泵裝置的進出水流道比較平順，水流條件好，水力損失小，裝置效率高，土建開挖量小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價也比立式泵裝置、斜式泵裝置高。雙向泵裝置可分為雙向流道泵裝置和雙向轉(zhuǎn)輪泵裝置。雙向流道泵裝置通過雙層流道4個閘門的啟閉來調(diào)節(jié)水流的方向，達到雙向抽引抽排的目的，江蘇常熟望虞河泵站是雙向流道泵站；雙向轉(zhuǎn)輪泵裝置則通過葉輪的正反向運行來實現(xiàn)泵裝置的抽引抽排的功能。江蘇新溝河遙觀北樞紐泵站采用S型葉輪雙向泵，以滿足正反方向雙向引水需要。

2 低揚程泵裝置的現(xiàn)狀

低揚程泵裝置包括進水流道、泵段及出水流道3部分。泵段對低揚程泵裝置的性能有決定性的影響，進水、出水流道對低揚程泵裝置的性能也有重要的影響。

2.1 進水流道

進水流道是指泵站進水前池至泵進口的一段過水通道，它的作用是為了使水流在從前池進入水泵葉輪室的過程中更好地轉(zhuǎn)向和加速，以滿足水泵轉(zhuǎn)輪對轉(zhuǎn)輪室進口所要求的水力條件。進水流道是泵裝置的重要組成部分，進水流道選型或設(shè)計不當，不僅可能減少水泵的流量、降低水泵的效率，還會引起水泵的氣蝕和振動，嚴重時危及泵站的安全運行。江都三站和劉老澗泵站都曾因為進水流道問題嚴重影響了泵站的正常運行。

大型臥式泵，容易設(shè)計成水流條件較好的進水流道。大中型立式泵通過進水流道從前池中取水，進水流道要在較短的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)過不大于90°的角，還要保證水流平穩(wěn)，為水泵進口創(chuàng)造良好的水力條件，它的型式和尺寸非常重要。

江都站多次模型試驗結(jié)果表明[1]，改變進水流道的尺寸和形狀，譬如改變進水流道的高度，對進水流道的水頭損失沒有明顯的影響，進水流道的設(shè)計不能單純著眼于水頭損失，而應(yīng)力求使水流出進水流道后均勻進入轉(zhuǎn)輪，保證轉(zhuǎn)輪各葉片在同一工況下運行。如果在進水流道中放置前導(dǎo)葉，前導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的距離對水泵效率有影響。文獻[4-5]認為，前、后導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的距離對水泵效率均有影響。文獻[2]認為，水流在肘形彎管中轉(zhuǎn)彎時受到的離心力對進水流道出口流速分布影響很大，采用不同曲率半徑的斷面漸縮肘形彎管，可以使出口流速分布均勻，減小水力損失。陸林廣[3]提出進水流道出口流速分布平均度和水流入泵平均角2個目標函數(shù)作為進水流道流場優(yōu)劣的考核指標。江都三站進水流道建站時為平面渦殼鐘形流道，建成后水泵氣蝕嚴重，有間歇性的強烈振動和噪音，在20世紀70年代作了2次改造，1次是將渦殼鐘形流道后部用混凝土填補，改為半肘形流道，1次是用塊石混凝土充填流道后部兩側(cè)旋渦區(qū)，并在流道后部中間高置鋼筋混凝土隔板。改造后，進水流道出口流速分布平均度88.48%，水流入泵平均角84.48°，流場仍然很差。2005年，江都三站改造，對肘型彎曲段的型線進一步優(yōu)化，使得進水流道出口流速分布平均度達到97.36%，水流入泵平均角86.27°，達到正常進水流道水平。南水北調(diào)新建的洪澤站肘形進水流道出口流速分布平均度97.5%，水流入泵平均角88.6°?；窗捕局庑芜M水流道出口流速分布平均度93.3%，水流入泵平均角87.83°，進水流道水力損失9.8cm，流態(tài)較為平順，由于流道高度偏小，流道寬度方向收縮偏快，造成出口流速分布平均度略差，根據(jù)改造泵站“只填不鑿”的要求，淮安二站進水流道改造時沒有再作優(yōu)化。

立式泵裝置的進水流道按進水方向可分為單向進水流道和雙向出水流道，其中單向進水流道有肘形、鐘形及簸箕形3種基本型式，見圖4。

圖4 肘形進水流道、鐘形進水流道、簸箕形進水流道

肘形進水流道是大型泵站最常見的型式，江都排灌站、淮安二站都是肘形進水流道，它的缺點是地基開挖深度較大，工程造價較高，不適合特低揚程大型泵站。

鐘形進水流道由進口段、吸水蝸室、導(dǎo)水錐喇叭管組成，由于水泵進口喇叭下懸如鐘形，故稱為鐘形進水流道。這種型式的流道高度較小，故機房底板可以抬高。

簸箕形進水流道形狀簡單，于20世紀90年代從荷蘭進入我國。簸箕形進水流道在基本尺寸方面與鐘形流道十分接近，也是高度較小、寬度較大，但前者對寬度的要求沒有后者那樣嚴格，不易產(chǎn)生渦帶。上海郊區(qū)首次將簸箕形流道應(yīng)用于小型泵站的節(jié)能技術(shù)改造，江蘇劉老澗泵站首次將簸箕形流道應(yīng)用于大型泵站，但是，效果不理想。

雙向進水流道的泵裝置應(yīng)用于灌排結(jié)合的泵站，可以節(jié)省投資，節(jié)約土地。早期建成的雙向流道泵站有南京武定門抽水站、鎮(zhèn)江諫壁抽水站、安徽鳳凰頸抽水站，以及后來的常熟泵站、高港泵站、魏村泵站等。我國已建泵站的雙向進水流道形式大體可分為肘形對拼式雙向進水流道（例如鎮(zhèn)江諫壁抽水站）、箱涵式雙向進水流道（例如南京武定門抽水站）及平面蝸殼式雙向進水流道（例如安徽鳳凰頸抽水站）。

2.2 出水流道

出水流道的作用是使水流在從水泵后導(dǎo)葉出口流入出水池的過程中更好地轉(zhuǎn)向和擴散，在不發(fā)生脫流和旋渦的條件下最大限度的回收動能，有虹吸式和直管式2種型式，見圖5。

圖5 出水流道形式

在采用虹吸式出水流道不能滿足駝峰頂部真空度的要求時，采用直管式出水流道，流道的出口不能被水淹沒的情況下，可采用屈膝式出水流道，如圖6。其進口與出水彎管出口相連，管道中心線沿流向下降，截面面積和幾何形狀逐步擴大、變化，出口淹沒于最低運行出水位以下。典型的如湖北凡口泵站，虹吸式流道采用真空破壞閥配合拍門斷流的方式，即在設(shè)計流道時將駝峰位置定在一般高水位以上，在正常運行時由真空破壞閥斷流，將拍門吊平；當外河水位超過駝峰高程時，由設(shè)在流道出口的拍門斷流，這樣駝峰可以定得低一些，就能適應(yīng)水位變化較大的情況，從而可較好地改善機組啟動條件。

雙向出水流道型式大體可分為三通式、肘形對拼式、直錐喇叭出水室式、曲線喇叭管出水室式、平面蝸殼式、傘形虹吸式、矩形有壓涵洞式、雙向平面對稱蝸殼式和開敞水槽式等。圖7是工程實踐中的幾種雙向進、出水流道。

圖6 屈膝式出水流道

圖7 工程實踐中的雙向進水、出水流道

2.3 泵段

泵段包括葉輪、葉輪室和前、后導(dǎo)葉體。水流在經(jīng)過泵段時，葉片的機械能轉(zhuǎn)化為水流的機械能，泵段是泵站的心臟。為了便于模型試驗比對，通常在模型泵段后導(dǎo)葉體出口加接1個60°彎管，統(tǒng)稱為水力模型裝置。從20世紀江都排灌站興建、20世紀90年代大型泵站改造，到2013～2017年南水北調(diào)東線工程建設(shè)，低揚程水力模型裝置已形成比較完整的系列，可以適用不同揚程泵站的需要。泵段最高效率達到86%，對應(yīng)的葉輪效率已經(jīng)達到93%左右，技術(shù)指標已達到國外同類水泵的水平。其標志性的工程有：淮安二站的2臺國內(nèi)最大的軸流泵，轉(zhuǎn)輪直徑4.5 m，單泵流量60 m3/s；皂河泵站2臺國內(nèi)最大的立式混流泵，轉(zhuǎn)輪直徑6.0 m，單泵流量100 m3/s；淮安三站2臺可逆式燈泡貫流泵，轉(zhuǎn)輪直徑3.1 m，單泵流量30 m3/s，在設(shè)計揚程3.3 m下，最高效率77.6%；寶應(yīng)站在設(shè)計揚程7.6 m下，最高效率85.3%；睢寧二站在設(shè)計揚程8.3 m下，最高效率83.5%；引淮入石泵站在最大揚程10 m下，最高效率78.4%。

3 低揚程泵裝置的發(fā)展方向

經(jīng)過60多年的發(fā)展，我省大型低揚程泵裝置取得了很大的進步，為了使大型低揚程泵裝置更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟的發(fā)展，還需要在以下幾個方面努力，以提高大型低揚程泵裝置的性能：

3.1 開展泵裝置的特性全方位的研究

泵裝置特性的研究應(yīng)當包括效率、空化性能、穩(wěn)定性和過渡過程幾個方面。但目前研究主要集中在效率方面，其它方面研究的不夠、甚至很少去研究。主要表現(xiàn)在泵的效率不斷地提高，對泵裝置考核的主要指標也是效率，現(xiàn)場驗收時效率能夠達到事先預(yù)估的數(shù)值。盡管對空化性能也有要求，但事實上幾乎沒有考核。雖然泵站的空化余量都滿足要求，但水泵依然受到空蝕破壞。在穩(wěn)定性方面，僅在模型試驗時測量壓力脈動，并沒有硬性考核的指標，并且原模之間如何換算還沒有足夠的理論支撐，尚不能根據(jù)模型試驗的結(jié)果準確預(yù)測真機的穩(wěn)定性。在過渡過程方面，迄今為止，對泵裝置的過渡過程研究較少，且現(xiàn)有的研究多數(shù)都基于一維流動理論，局限性明顯。應(yīng)用三維流動理論研究泵裝置過渡過程的成果較少，至于現(xiàn)場過渡過程的測試更少。但過渡過程對泵裝置的危害遠大于穩(wěn)態(tài)過程。因為過渡過程中泵裝置內(nèi)部的流速和壓力急劇的變化，其值可數(shù)倍于設(shè)計工況，對泵裝置的危害較大，根據(jù)測試，江都二站啟動時的最大揚程11.5 m，江都三站啟動時的最大揚程14 m，遠大于江都站的設(shè)計揚程。

3.2 加強理論創(chuàng)新

目前泵裝置的理論基礎(chǔ)仍是19世紀歐拉根據(jù)動量矩定理推導(dǎo)出來的歐拉方程，歐拉方程稱為水泵的基本方程。應(yīng)用歐拉方程可以分析一些水流現(xiàn)象對泵裝置運行的影響，分析泵葉片的形狀變化，推導(dǎo)出許多有用的計算公式。但是，歐拉方程不適用于多相流和過渡過程，而泵裝置的多相流和過渡過程是當前泵裝置研究的短板，需要理論上的創(chuàng)新為多相流和過渡過程的研究提供基礎(chǔ)。

3.3 提高計算能力，縮短泵裝置的設(shè)計周期

目前很多學(xué)者運用數(shù)值計算開展泵裝置性能的研究。囿于計算能力限制，多數(shù)情況下都是分別以進水、出水流道、泵段為對象進行計算，而沒有或者很少以整個泵裝置為對象進行計算，泵裝置內(nèi)不同部件的相互干涉因素依靠學(xué)者的經(jīng)驗事先假定，這樣的計算結(jié)果難免與實際有誤差。如果以整個泵裝置為對象進行計算，耗時較長，如果是過渡過程的計算，則耗時更長。由于泵裝置的設(shè)計或優(yōu)化周期較長，因而很少為具體的泵站量身定制泵裝置，而是拿已有的轉(zhuǎn)輪和流道組合來設(shè)計新的泵站，目前不論是設(shè)計單位還是生產(chǎn)廠家，基本上都是在南水北調(diào)同臺對比的二十幾個轉(zhuǎn)輪中擇優(yōu)選取，這樣組合產(chǎn)生的泵裝置有可能并不完全適合某個具體的泵站，應(yīng)當以某個具體的泵站的水位、流量為約束條件，開展整個泵裝置的優(yōu)化設(shè)計。

3.4 進一步提高泵裝置的測試技術(shù)

目前泵裝置的測試都是在試驗室的模型試驗臺上測試模型泵裝置的外特性，主要是能量特性和空化特性?，F(xiàn)場測試主要是能量特性測試，受現(xiàn)場條件限制，所測的范圍有限。而對其內(nèi)部的三維流場分布難以測試，進出水流道有一些測量流場的方法，而導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪內(nèi)的三維流場測試還沒有有效的方法，其內(nèi)部流場的分析主要依賴于CFD的計算結(jié)果。而至少就目前的科學(xué)水平，CFD的計算結(jié)果只是近似結(jié)果，因為N-S方程組解的存在性依然是數(shù)學(xué)家們需要努力解決的難題。盡管CFD計算是目前泵裝置優(yōu)化比較流行的方法，但是，CFD的計算準確度與計算者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系。比如：在計算進出水流道時，環(huán)量就是計算者憑經(jīng)驗人工給定的；在最優(yōu)工況下CFD的計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近，偏離最優(yōu)工況后則誤差較大。至于應(yīng)用計算軟件計算的流固耦合、聲振耦合、模態(tài)分析等的計算結(jié)果還難以用試驗結(jié)果進行驗證。這些都說明現(xiàn)有的測試技術(shù)遠遠落后于計算技術(shù)，不能滿足行業(yè)發(fā)展的需要。

3.5 進一步提高特低揚程、雙向泵裝置性能，擴展貫流泵的應(yīng)用范圍

近幾年，在江蘇南部地區(qū)興建的特低揚程泵站，揚程在1 m左右，這些泵站的效率普遍較低，不到70%，雙向轉(zhuǎn)輪泵的效率更低，且可供選擇的水力模型較少，需要加強特低揚程水力模型的開發(fā)與研究。

貫流式泵裝置由于進出水流道比較順直，水力損失小，所以泵裝置的水力效率比立式裝置高，并且貫流式泵裝置的流道是水平順直，其開挖深度也比立式泵裝置小。但是，目前貫流式泵裝置的揚程通常都在4 m以下。水輪機行業(yè)已研制出比轉(zhuǎn)速100～350，適應(yīng)水頭20～300 m的貫流式水輪機，極大地拓寬了貫流式水輪機的應(yīng)用范圍。作為貫流式水輪機的鸞生兄弟貫流泵完全可以提高使用揚程?？偳芾硖幒秃雍４髮W(xué)已聯(lián)合研制了一種可用于7～10 m揚程的貫流泵裝置。在有自流要求的情況下，立式裝置下層進水流道可作為過流通道。但現(xiàn)有的貫流式泵裝置不具備這樣的功能。因此，有必要開發(fā)具有泄水功能的貫流式泵裝置。如果能夠開發(fā)高效雙向抽水、雙向發(fā)電、雙向泄水、高揚程的貫流式泵裝置，將擴大貫流式泵裝置的使用范圍。

4 結(jié)語

為了進一步提高大型低揚程泵裝置的性能，更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟的發(fā)展，我們要認真總結(jié)在大型低揚程泵裝置方面取得的成績和存在的問題，組織力量，集中攻關(guān)，爭取在提高大型低揚程泵裝置的性能方面有突破性的進展，為江蘇經(jīng)濟的發(fā)展作出新的貢獻。

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