近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)發(fā)出了一系列高性能低揚(yáng)程泵的水力模型，其性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但忽視了對(duì)大泵機(jī)組結(jié)構(gòu)功能的研究，有些泵站機(jī)組結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)選用不合理，經(jīng)常發(fā)生故障，個(gè)別泵站甚至建成數(shù)年一直不能正常運(yùn)行，影響功能的發(fā)揮。在即將開(kāi)工興建的南水北調(diào)等重點(diǎn)工程泵站的建設(shè)和20世紀(jì)60～70年代建設(shè)的大型泵站更新改造中，應(yīng)特別注意對(duì)泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)功能的研究，有必要對(duì)我國(guó)大型低揚(yáng)程水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)進(jìn)行分析和比較。
1、大型低揚(yáng)程水泵機(jī)組基本結(jié)構(gòu)形式
1.1、水泵結(jié)構(gòu)形式大型低揚(yáng)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(tái)數(shù)2～20臺(tái)。
大型低揚(yáng)程水泵機(jī)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(jī)組）等。
立式彎管式水泵特點(diǎn)是有一60°金屬?gòu)澒?，在彎管上部和?dǎo)葉體內(nèi)設(shè)有2只導(dǎo)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(chǎng)澆筑而成，泵軸穿出處設(shè)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(jìn)水伸縮節(jié)及導(dǎo)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(lái)發(fā)展起來(lái)的，它適用于內(nèi)外水位變化頻繁、高低交錯(cuò)的沿江圩區(qū)特低揚(yáng)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(shè)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(dǎo)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(duì)開(kāi)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(jī)體積不允許過(guò)大，只能采用體積小、極數(shù)少、轉(zhuǎn)速高的同步電機(jī)，需設(shè)齒輪箱變速。
1.2、電機(jī)結(jié)構(gòu)形式我國(guó)采用同步電機(jī)，型式有立式電動(dòng)機(jī)、立式可逆雙速電機(jī)、立式雙速電動(dòng)機(jī)、斜式或臥式電動(dòng)機(jī)等。斜式和臥式電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)速高，為整體式結(jié)構(gòu)，安裝簡(jiǎn)便，與水泵之間設(shè)有變速裝置，電機(jī)不承受軸向水推力。立式直聯(lián)電機(jī)體積大，出為分散式結(jié)構(gòu)，需在泵站進(jìn)行部件組合安裝，安裝要求高，技術(shù)性強(qiáng)[2].2800kW以上的立式電機(jī)在下機(jī)架上設(shè)有制動(dòng)與頂車裝置，5000kW及以上的立式電機(jī)推力軸承設(shè)有液壓減載裝置，并采用空氣冷卻器封閉通風(fēng)結(jié)構(gòu)。
2、大型低揚(yáng)程水泵機(jī)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(gè)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(shí)，揚(yáng)程和功率很大，約為設(shè)計(jì)值的2～3倍，且小流量區(qū)（高揚(yáng)程）運(yùn)行不穩(wěn)定，起動(dòng)揚(yáng)程高、功率大，易振動(dòng)，用閘門(mén)或快速閘門(mén)斷流時(shí)，停機(jī)門(mén)體下降時(shí)刻和速度難以控制，容易造成閉閥運(yùn)行而過(guò)載，或倒轉(zhuǎn)飛逸，影響機(jī)組和泵站安全?；炝鞅肣—N曲線比較平緩，機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)斷流比較容易。在揚(yáng)程、過(guò)流面積、流速相同的情況下，導(dǎo)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(jī)推力軸承荷載較小。采用拍門(mén)斷流的泵站，拍門(mén)長(zhǎng)期浸沒(méi)在水下，受出水的沖擊擺動(dòng)，門(mén)鉸容易銹蝕和疲勞破壞而致拍門(mén)沖落，造成停機(jī)倒流；拍門(mén)關(guān)閉對(duì)流道出口的撞擊力很大；出水池泥沙淤積阻礙拍門(mén)開(kāi)啟，容易造成機(jī)組起動(dòng)過(guò)載（如江西八里湖泵站）。這些都會(huì)影響工程和機(jī)組安全。
進(jìn)水流道（特別是雙向進(jìn)水流道）設(shè)計(jì)不合理，流態(tài)紊亂，容易形成渦帶，加重汽蝕和振動(dòng)；雙向出水流道也容易造成機(jī)組振動(dòng)[3]；虹吸出水流道挾氣能力不夠，容易長(zhǎng)期存氣，振動(dòng)不止。
2.2、可靠耐久性（1）單站機(jī)組臺(tái)數(shù)與容量。泵站裝機(jī)流量一定，機(jī)組臺(tái)數(shù)取決于單機(jī)容量。機(jī)組大，效率高，但站房基礎(chǔ)開(kāi)挖深。部件體積大，制造、安裝、檢修和運(yùn)輸困難，有些關(guān)鍵部件技術(shù)性能不過(guò)關(guān)。單站臺(tái)數(shù)過(guò)少，運(yùn)行保證率低。若僅設(shè)2臺(tái)機(jī)組，1臺(tái)發(fā)生故障后，抽水量?jī)H為50%；若1臺(tái)備用，則機(jī)組過(guò)大，造成浪費(fèi)。相反，泵站裝機(jī)容量小、臺(tái)數(shù)過(guò)多，則運(yùn)行管理不便，站房太長(zhǎng)，占地面積大，前池和出水池開(kāi)挖長(zhǎng)度大，增加土建投資。
（2）水泵導(dǎo)軸承失效問(wèn)題。巴氏合金導(dǎo)軸承承載能力大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是水密封結(jié)構(gòu)不可靠，大量漏水進(jìn)入導(dǎo)葉體輪轂腔，容易進(jìn)入油軸承，常常是機(jī)組還未到大修時(shí)間，甚至剛安裝運(yùn)行不久，由于浸水，軸承和軸頸嚴(yán)重拉毛、剝落，間隙增大，導(dǎo)致葉片碰殼。據(jù)江蘇省江都抽水站不完全統(tǒng)計(jì)，所有大泵油軸承都浸過(guò)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(rùn)滑導(dǎo)軸承不存在浸水受損問(wèn)題，但承載能力低，用于臥式和斜式泵時(shí)，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(yùn)行壽命只有數(shù)百小時(shí)；江蘇新夏港斜30°水泵P23酚醛塑料軸承清水潤(rùn)滑，運(yùn)行300h，軸承及軸頸出現(xiàn)明顯偏磨和凹痕，運(yùn)行500h，磨損0.5mm，停止運(yùn)行，以防葉片碰殼。對(duì)大型斜式和臥式水泵，金屬導(dǎo)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(dǎo)軸承雖然工作荷載小，非金屬導(dǎo)軸承采用河水潤(rùn)滑，或采用清水潤(rùn)滑，但密封結(jié)構(gòu)不可靠時(shí)，河水中的泥沙進(jìn)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(guò)來(lái)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(guò)大，安裝高程過(guò)高，進(jìn)水流道設(shè)計(jì)不合理，都會(huì)加重水泵汽蝕。翼型汽蝕和間隙汽蝕嚴(yán)重時(shí)，過(guò)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(jī)組的耐久性。
（4）電機(jī)故障。推力軸承是立式電機(jī)最關(guān)鍵的易磨易損部件，軸瓦燒損是常見(jiàn)故障，占電機(jī)故障的70%～80%.安裝質(zhì)量差、運(yùn)行揚(yáng)程高是直接原因，其根本原因是軸承過(guò)載和結(jié)構(gòu)不合理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸承荷載率ε>019時(shí)容易燒瓦，而ε<018很少出現(xiàn)燒瓦事故[5].
立式機(jī)組電機(jī)位置高，運(yùn)行環(huán)境與通風(fēng)散熱條件好。采用自然空氣靠轉(zhuǎn)子磁軛上下風(fēng)扇造成的壓力或風(fēng)機(jī)形成的真空迫使熱空氣從定子出風(fēng)洞流出，外界冷空氣經(jīng)上下通風(fēng)口進(jìn)入補(bǔ)充，空氣中的大量灰塵與油缸內(nèi)潤(rùn)滑油因溫度升高和擾動(dòng)而汽化的油霧混合，積聚在定子鐵芯線圈上及通風(fēng)槽內(nèi)，嚴(yán)重影響散熱和絕緣，往往迫使電機(jī)提前大修，清洗工作量很大。
貫流泵機(jī)組長(zhǎng)期浸沒(méi)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(jī)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(jī)、2.8ZLQK-7.0配TDL325/56-40電機(jī)等機(jī)組結(jié)構(gòu)不合理，機(jī)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(jī)組安裝盤(pán)車?yán)щy，軸線擺度難以測(cè)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(jī)和水泵的大部分部件，工作量大。立式圬工式水泵導(dǎo)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(yùn)輸通道移至機(jī)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(jī)組四周操作空間大，安裝性好；打開(kāi)井筒和泵蓋進(jìn)人孔可對(duì)導(dǎo)軸承檢修或更換。拆開(kāi)縱向?qū)﹂_(kāi)式葉輪外殼，水泵葉輪完全可見(jiàn)。易損件拆裝工作量小，檢修費(fèi)用少，檢修性好。
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