大型低揚(yáng)程水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)分析比較研究
近年來,我國開發(fā)出了一系列高性能低揚(yáng)程泵的水力模型[1] ,其性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。但忽視了對大泵機(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(yùn)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(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)特別注意對泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)功能的研究, 有必要對我國大型低揚(yáng)程水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)功能特點進(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 ,單站臺數(shù)2～20臺。
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是有一60°金屬彎管,在彎管上部和導(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(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(jī)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(jī),需設(shè)齒輪箱變速。
1.2、電機(jī)結(jié)構(gòu)形式
我國采用同步電機(jī),型式有立式電動機(jī)、立式可逆雙速電機(jī)、立式雙速電動機(jī)、斜式或臥式電動機(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(yáng)程和功率很大,約為設(shè)計值的2～3倍,且小流量區(qū)(高揚(yáng)程) 運(yùn)行不穩(wěn)定,起動揚(yáng)程高、功率大,易振動,用閘門或快速閘門斷流時,停機(jī)門體下降時刻和速度難以控制,容易造成閉閥運(yùn)行而過載,或倒轉(zhuǎn)飛逸,影響機(jī)組和泵站安全。混流泵Q —N 曲線比較平緩, 機(jī)組起動和停機(jī)斷流比較容易。在揚(yáng)程、過流面積、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(jī)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(jī)組起動過載(如江西八里湖泵站) 。這些都會影響工程和機(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(jī)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(jī)組臺數(shù)與容量。泵站裝機(jī)流量一定,機(jī)組臺數(shù)取決于單機(jī)容量。機(jī)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(yùn)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(yùn)行保證率低。若僅設(shè)2 臺機(jī)組,1臺發(fā)生故障后, 抽水量僅為50%;若1 臺備用,則機(jī)組過大, 造成浪費。相反, 泵站裝機(jī)容量小、臺數(shù)過多,則運(yùn)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(dǎo)軸承失效問題。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,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(dǎo)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(yùn)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(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(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(jìn)水流道設(shè)計不合理,都會加重水泵汽蝕。翼型汽蝕和間隙汽蝕嚴(yán)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(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] 。
