雙向立式水泵運行穩(wěn)定性問題探討

黃 毅

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

引航道水利樞紐工程位于鎮(zhèn)江三山風景名勝區(qū)與長江間的通道上，工程將泵、閘與30 m寬的公路交通橋結合布置，泵站所在2個橋墩上部中空作為觀景塔樓，塔樓在46 m高空連通構成門形建筑“鎮(zhèn)江之門”；節(jié)制閘、套閘布置在公路橋橋墩之間的孔口；公路橋在閘站頂部分為左右2幅。工程充分體現(xiàn)水利工程與城市景觀、自然景觀、水環(huán)境保護相協(xié)調的原則。

主體建筑“鎮(zhèn)江之門”簡潔而不簡單，構筑了“一水橫陳、江中浮玉”的意境（見圖1）。泵站首次采用新穎、簡潔的雙向立式軸流泵裝置（已申請實用新型專利），以2臺機組為1組、分別布置在2座橋墩泵房內，流道底板總長48 m。引航道水利樞紐工程設計新穎獨特，將水利功能和交通需要巧妙結合，創(chuàng)造了一個嶄新的工程設計理念，但其環(huán)境和邊界條件也給水利工程的設計帶來獨特的要求。

圖1 鎮(zhèn)江之門圖

1 泵型及流道型式

根據(jù)泵站揚程運行范圍，選用軸流泵型[1]。

在南水北調的江都三站、泗陽泵站、劉老澗等抽水站，立式軸流泵都有正向抽水、反向發(fā)電的雙向運行經(jīng)驗?？梢姡⑹剿玫牧鞯琅c臥式水泵一樣，都具備雙向流動的可行性。

引航道水利樞紐工程主要通過節(jié)制閘進行常規(guī)引水和排水，泵站的年運行小時數(shù)不高，所以對水泵的要求是安全、可靠、穩(wěn)定，具有一定的效率?？紤]服從工程整體布局、滿足功能要求、節(jié)約工程投資等方面的因素，推薦采用雙向立式軸流泵型。立式軸流泵采用“S”型雙向轉輪，配（正向）肘形進水、彎管出水流道，通過水泵正反轉，實現(xiàn)泵站正反向運行，該泵型具有流道型線簡單、操作簡單、輔助設備少、有利防止泥沙淤積等特點，經(jīng)常反向運行有利于將長江側流道口的淤泥沖散。

2 泵站的特點和要求

（1）泵站的年運行小時數(shù)不高，但作為排澇泵站，水泵機組必須安全、可靠、運行穩(wěn)定，具有一定的效率。

（2）泵站布置在橋墩內、泵房居中露出上部建筑、兩側為公路交通橋，因此泵站進出水流道的長度遠大于常規(guī)泵站。

（3）泵站正反向運行設計凈揚程分別是2.7 m和1.3 m，變幅較大，所選擇的“S”型雙向水泵裝置在正反向工況均應安全穩(wěn)定運行、盡可能兼顧雙向運行的效率。

（4）雙向立式水泵，其導葉的設置不同于常規(guī)的S型葉片臥式雙向水泵。

（5）由于雙向運行并有調節(jié)葉片角度的要求，泵組須承受2個方向的水推力和調節(jié)力，水泵機組結構上應保證安全穩(wěn)定運行。

3 雙向立式泵有關穩(wěn)定性探討

針對上述特點和要求，圍繞雙向立式水泵裝置的安全穩(wěn)定運行，在水力特性方面，對流道型線優(yōu)化、導葉設置等進行分析探討，并經(jīng)過CFD計算和裝置模型試驗驗證；在結構上對軸承設置、防抬機等進行關注。

3.1 流道型線的優(yōu)化

“S”葉片的雙向立式軸流泵，配（正向）肘形進水、平直彎管出水流道。正向運行時，水流從下部流道進入，流經(jīng)轉輪、導葉后，從上部流道流出。反向運行時，水流先從導葉流過，再進入轉輪，出水直接從下部流道的彎肘管流出。

本工程由于橋墩結構需要，肘形流道長度采用13.00 D（葉輪直徑）、高度1.80 D；平直彎管流道長度采用13.00 D、高度2.88 D。不考慮導葉的影響、流道頂板的上翹角度，上、下流道基本是反對稱型式，從理論上正反向運行是對稱的。流道型線見圖2。

圖2 流道型線示意圖

長肘形進水流道的流態(tài)：在流道的直線段內流態(tài)平順；進入彎曲段后，水流迅速改變方向并加速，水流在作90°轉向的同時，伴隨著急劇的側向收縮；經(jīng)過圓錐段的調整，在接近流道出口處，水流趨于均勻分布和垂直于出口斷面。

長出水流道的流態(tài)：由于水流具有環(huán)量，導葉出口水流流速左右不對稱、流道縱剖面速度呈現(xiàn)上大下小的趨勢；因此，本工程加大出水彎管的90°轉向半徑、且對轉彎斷面進行異型變化，盡量使水流在彎曲段消除不對稱現(xiàn)象；再經(jīng)過長直錐段的調整，在接近流道出口處，流速減小、水流趨于均勻分布和垂直于出口斷面。

雙向運行的水泵流道是結合葉輪、導葉、平衡和滿足正向、反向2種運行工況的水流流動要求而確定。泵站的流道置于橋墩內，雖增長了流道的長度，增加沿程水力損失，但減小擴散角或收縮角，有利減小局部損失。

3.2 導葉的設置

圖3是立式軸流泵的基本構造圖。葉輪和導葉是水泵的關鍵部件[2]。水流通過葉輪獲得能量，使水流從低到高流動。葉輪的進水為軸向有勢流，出水帶有一定的環(huán)量，依靠出水口的導葉消除環(huán)量，因此，進水和出水的水流條件是有差異的。對雙向運行的水泵，進水或出水是相對概念，在正向運行時是進水，而在反向運行時是出水，因此，為了兼顧雙向運行性能，雙向葉輪的型線曲度較單向大，而導葉的曲度則盡可能平緩。

圖3 立式軸流泵的基本構造圖

3.2.1 導葉對雙向水流的影響

常規(guī)水泵的進水流道使水流平順、軸向地進入水泵葉輪，然后再經(jīng)過導葉至出水流道。水泵葉輪出口水流總有一定的環(huán)量，導葉可消除或減弱環(huán)量，改善水流流態(tài)。導葉不僅使水泵獲得較高的效率，而且通過改善水流的流態(tài)，減小水壓脈動，穩(wěn)定水泵運行。但雙向運行的水泵，如采取常規(guī)的措施，在反向運行工況對水泵內部的水流流動是不利的。圖4為正向和反向2種運行工況的水流流態(tài)圖[3]。

圖4 軸流泵雙向運行葉片進口速度矢量圖

從圖4中可見，反向運行時，水流雖然平順地進入導葉，但在導葉出口對水泵的葉片有一個環(huán)量，產(chǎn)生一個沖角。沖角的大小與流量即導葉的軸面流速有關，沖角不僅引起水力損失，而且葉片的出口邊比較薄，對葉片較大的沖擊還可能帶來振動，不利水泵穩(wěn)定運行。所以導葉的設置一直是雙向運行水泵的設計難點。

3.2.2 導葉位置的確定

本工程雙向運行的立式軸流泵為國內首創(chuàng)，沒有規(guī)律可循。為此，進行機組結構設計時，分別對前導葉、后導葉、雙導葉（按正向工況看）3種形式，運用CFD方法，模擬計算分析正向和反向工況下的流態(tài)，并結合水泵導軸承的設置，進行分析比較[4]。

（1）正向流態(tài)（下流道進水、上流道出水）。后導葉結構就是常規(guī)的單向水泵，對水泵的吸入性能以及效率影響不大，主要產(chǎn)生流道的水力損失。前導葉的進水流態(tài)不如后導葉；出水流態(tài)變動基本在葉輪后的出水轉彎附近，靠葉輪距離較近，不僅產(chǎn)生流道的水力損失，還可能對泵段效率產(chǎn)生影響。雙導葉的進水流態(tài)也不如后導葉；但出水流態(tài)較后導葉好，除小流量時轉彎處有脫流現(xiàn)象外，基本沒有回流。

（2）反向流態(tài)（上流道進水、下流道出水）。前導葉結構就是常規(guī)的單向水泵，對水泵的吸入性能以及效率影響不大，主要產(chǎn)生流道的水力損失。后導葉的進水流道轉彎及進入轉輪處水流較均勻；由于出水沒有導葉，出水流線基本在葉輪后的出水轉彎附近就出現(xiàn)波動，靠葉輪距離較近，不僅產(chǎn)生流道的水力損失，還可能對泵段效率產(chǎn)生影響。雙導葉的進水水流較均勻；由于出水設有導葉，出水流道的流線有約束地出水、轉彎，轉彎處有脫流，但基本沒有回流，基本只產(chǎn)生流道的水力損失，不會對泵段效率產(chǎn)生影響。

（3）水泵導軸承的設置。水泵導軸承布置在導葉內，限制水泵運行時的擺度、承受徑向力，是水泵必不可少的部件，所以導葉的位置選擇應該考慮水導軸承的因素。理論上，引航道泵站的導葉可以雙向設置或布置在葉輪的上部、下部。由于橋墩內部空間有限，并且葉輪直徑只有1.6 m，若水導軸承設置在葉輪下部，安裝、檢修非常不便，所以采用布置在葉輪上部的結構形式。

結合徑向軸承的設置，如采用前導葉結構，則水泵導軸承設置在葉輪下方，考慮導葉體高度、葉輪淹沒深度等，則下流道的底板高程還要降低；如采用雙導葉結構，水泵導軸承無論設在上或下導葉體中，都需增加葉輪下方的導葉體高度、降低下流道底板高程；采用后導葉結構，水泵導軸承設置在葉輪上方，與常規(guī)機組一樣承受徑向力，葉輪下方不需要特別留出一定的高度布置導葉體，下流道的底板高程可按常規(guī)布置。

從上述分析看，雙導葉情況在正、反向運行時流態(tài)都是最差的；前導葉正向運行時較后導葉的反向運行好，但反向運行較后導葉的正向運行差；后導葉的正反向運行情況比較適中，差異較小。總體與以往常規(guī)水泵采用后導葉的研究成果基本吻合。因此，本工程推薦采用后導葉（正向工況）結構，即導葉體設置在葉輪上方。

3.3 水泵運行穩(wěn)定性分析和研究

3.3.1 水力性能的穩(wěn)定

本工程對整個水泵裝置進行CFD流態(tài)模擬計算[4]，計算結果見圖5、圖6。正向運行時，水泵裝置的流動比較平順，雖出水流道存在環(huán)量，因距葉輪較遠，會增加流道的水力損失，但不影響穩(wěn)定運行；反向運行時，葉輪進口的流態(tài)差，葉輪出口的環(huán)量也難以消除，在肘管和出水流道均存在較大的環(huán)量。因肘管的轉彎處型線按不利工況進行一定程度的修正，環(huán)量也受到一些控制和消弱，分析認為也不影響運行的穩(wěn)定性。

圖5 水泵進出水流道流速場圖（正向運行）

圖6 水泵進出水流道流速場圖（反向運行）

本工程選擇國內應用較多的4個雙向轉輪，進行模型裝置正反向運行試驗[5]。除進行常規(guī)的能量和汽蝕性能檢查，還應觀察水流的流動情況，尤其是葉輪、導葉、及其流道的變化部位。試驗結果顯示，在整個運行揚程范圍內水流流動正常，其中應用較多的2#轉輪能量指標相對穩(wěn)定，水流顯得更平順。

3.3.2 水泵機組結構的穩(wěn)定

立式水泵機組的軸向水推力跟水流方向有關。正向運行時，軸向水推力方向向下；反向運行時，軸向力方向向上。同時水泵機組有調節(jié)葉片角度的要求，還須承受2個方向的調節(jié)力。研究表明，裝有機械式葉片調節(jié)機構的水泵機組，在調節(jié)桿上移、葉片角度往正角度調節(jié)時，出現(xiàn)向上的調節(jié)力，可能帶動轉動部分上抬、發(fā)生抬機現(xiàn)象。

從理論上，水推力以及轉動部分的重量的合力由推力軸承承受、雙向調節(jié)力由調節(jié)器內的軸承承受。然而，結構上還須設置反向止推裝置，以避免發(fā)生機組轉動部分上抬等不穩(wěn)定運行的現(xiàn)象。

4 結 語

從2011年3月開始，泵站歷經(jīng)正轉試運行、反轉試運行以及交付使用等，距今已多年。運行實踐證明，無論正、反向運行，雙向立式軸流泵機組都安全、穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常的振動、噪音，由于水位因素，大部分時間在低揚程、大流量的非最優(yōu)工況運行。

鎮(zhèn)江引航道水利樞紐工程結合和滿足水利與交通2大功能，將泵站置于橋墩內，雖然給工程設計帶來很大難度，但通過一系列計算、分析、研究和試驗，傳統(tǒng)的下肘型流道、上平直管的立式軸流泵裝置，選用性能優(yōu)異的雙向運行模型水泵、合理的流道型線和導葉位置，水泵裝置的正、反向運行均平穩(wěn)，無旋渦等有害水力現(xiàn)象存在；正向運行的水流流態(tài)好于反向運行，符合國內現(xiàn)有的雙向水泵的共同特性。

鎮(zhèn)江引航道水利樞紐工程雙向立式軸流泵的安全、穩(wěn)定、可靠運行，為雙向泵站增添了一個新的型式和成功案例。