大型潜水贯流泵装置设计与应用

方桂林，谢伟东

（1.江苏省通榆河北延送水工程建设管理局，224600，响水；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，225009，扬州）

潜水贯流泵装置是将潜水电机与贯流泵技术相结合的一种装置型式，适用于低扬程泵站。水泵转轮、后导叶、齿轮箱、电机连为一体直接布置在流道中，机组段采用全金属壳体，整体吊装，机组结构紧凑，流道水力损失小，设备可靠性要求高，密封止水要求高。国外早在20世纪70年代就已应用于大型泵站，如日本农政思觉路津泵站采用2200QG12-5.73型潜水贯流泵，叶轮直径2.2 m，设计扬程5.73 m，单机流量12 m3/s。

通榆河北延工程灌北泵站和善南泵站是送水工程的第二、三级泵站，设计流量分别是50 m3/s和30 m3/s，设计净扬程分别为1.56 m和1.5 m，两个站采用相同的机组型式和单机规模，单机流量均为10 m3/s。两个泵站的设计扬程很低，年运行时间较长，为了实现较高的泵装置效率，要求必须采用水力性能优秀的泵装置型式，经过多方案的比较，最终确定采用卧式潜水贯流泵装置，水泵直径2 m，水泵转速156 r/min，齿轮减速传动，电机转速980 r/min，电机功率330 kW，是目前我国叶轮直径最大的卧式潜水贯流泵。

一、泵装置型式的比较和选择

1.适用于低扬程泵站的泵装置型式

灌北、善南泵站的设计扬程1.5 m，为特低扬程泵站，根据类似工程设计经验，宜采用装置效率相对较高且开挖深度小、结构简单、便于管理的卧式机组装置型式。目前适合的泵装置型式有灯泡贯流泵、竖井贯流泵、轴伸贯流泵、潜水贯流泵，泵站结构型式不同，泵站效率差别很大，运行费用、土建投资差别也很大。根据灌北、善南泵站特点，初选了竖井贯流泵、潜水贯流泵、轴伸贯流泵三种贯流泵装置方案进行比选。

2.不同型式泵装置的特点

（1）竖井式贯流泵装置

竖井式贯流泵装置的特点是：将电动机和齿轮箱安装在具有流线型外形的钢筋混凝土或钢制竖井中，与安装在流道中的水泵相连接。这种结构型式开挖深度较小，站身结构简单，水泵装置效率较高，但站身底板宽度较大，厂房跨度也比较大，因此泵站土建工程费和行车设备费较多，电机和齿轮减速装置安装在竖井内，长期不运行井内湿度较大，设备易受潮锈蚀。

（2）潜水式贯流泵装置

潜水式贯流泵装置的特点是：电机和齿轮箱直接布置在流道内，机组段采用全金属壳体；泵装置进出水流道顺直，水力性能好，泵站装置效率高；土建结构简单，开挖深度小；潜水电机与泵连成一体，结构紧凑；不需要润滑、冷却用水，不需附加的散热设施。该方案对设备制造技术的要求较高，目前国内设计、制造工艺水平已经满足各种技术要求。

（3）轴伸式贯流泵装置方案

轴伸式贯流泵装置可分为水平轴伸和立面轴伸两种型式。水平轴伸贯流泵装置的特点是：采用平面S形流道，叶轮中心安装高程、站身顺水流向长度与竖井贯流泵方案一致，但机组间距较大，站身宽度较大，厂房跨度略有增加；立面轴伸贯流泵装置的特点是：采用立面S形流道，叶轮中心安装高程、站身顺水流向长度与竖井贯流泵方案一致，但站身开挖深度加大，厂房跨度略有增加。

（4）三种泵装置方案的比较

竖井式贯流泵装置和轴伸式贯流泵装置的设备基本相同，而潜水贯流泵装置则是属于灯泡体体积小的灯泡式贯流泵装置。在相同水泵叶轮直径和设计流量的条件下，由于潜水贯流泵装置采用行星齿轮减速箱，故其机组结构最为紧凑，灯泡体直径最小，因此，其流道的型线最为顺直，流道内的流态最为平顺均匀，流道的水力性能可以超过其他各种型式泵装置的水力性能，达到最优。此外，潜水贯流泵装置还具有泵房土建结构简单、开挖深度小等优点。综合比较上述三种低扬程泵装置方案，灌北、善南泵站选择潜水式贯流泵装置较为理想。

二、潜水贯流泵结构设计分析

1.电机支承结构

潜水贯流泵运行时，除了机组本身重量、电动机转矩及热应力外，还有水推力、浮力等静荷载，以及机组转动、扬程变化等引起的振动力。

灌北、善南泵站潜水电机对称布置了8块钢制筋片作为支承，电缆引出导管及集水箱设计在上、下两个箱板上，可以满足传递电机的工作转矩和最大转矩，具有足够的周向和轴向刚度。

2.传动方式

大型水泵，电动机与水泵之间的动力传递方式有联轴器(直联)和齿轮减速器两种。对于高扬程水泵，由于转速比较高，绝大多数采用直联传动。对于特低扬程水泵，由于转速大多很低，采用直联传动时电动机体积庞大、造价高，故而需要考虑采用齿轮减速器传动方案。

灌北、善南泵站水泵额定转速为156 r/min。该潜水泵的配套电机为六极高速电机，转速为980 r/min，采用行星齿轮减速箱减速。高速电机直径小，灯泡比为0.5526，绕流及扩散损失大为减小,可获得较高的流道效率和泵装置效率。

在贯流式机组中，减速齿轮箱是决定设备寿命周期和可靠性的主要部件，在采用齿轮箱传动时，要根据传动比、原动机的转速、传递功率(容量)及允许的轴向荷载等进行选择，同时有必要进行综合技术经济比较。

根据灌北、善南泵站贯流泵装置的特点，选用进口的行星齿轮减速箱。太阳轮连接高速电机输入，行星架低速输出连接水泵轴。为提高啮合性能，太阳轮和行星轮采用双浮动结构，其主要优点是：齿轮受力均匀，承载能力大，工作平稳，噪声低，传动效率高，体积小，重量轻。

3.水泵导轴承

国内已建成大型卧（斜）式机组泵站10多座，采用的水泵导轴承大体上有三类：①滚动轴承，②水润滑非金属材料轴承，③巴氏合金滑动轴承。滚动轴承运转偏摆跳动小，但密封要求高，适用于机械密封配合使用；水润滑非金属材料轴承结构简单，运行维护方便；稀油润滑巴氏合金轴承承载力大，技术上可靠，使用寿命长，但密封要求高，适用于年运行时间长、可靠性要求较高的大型机组。灌北、善南泵站贯流泵装置按稀油润滑结构设计低速推力轴承和导轴承，按油脂润滑结构设计高速部分轴承，组成完整的适合于潜水贯流泵的轴承系，采用了进口SKF滚动轴承。

4.分段结构设计

在保证整个机组刚度和运行稳定的条件下，实现了在机坑有限空间内电机、行星齿轮减速箱、水泵段可分段组装和拆卸的结构设计，减小了最大件的运输尺寸和起吊重量，为进一步大型化提供了结构设计的模板。

5.提高可维护性设计

结构设计中，设置的大容量渗漏水集水箱、行星齿轮减速箱及轴承装置的换油系统，使潜水贯流泵有了较强的可维护性和可保养性，可显著延长大修间隔时间，是提高潜水贯流泵运行可靠性的重要设计。

三、潜水贯流泵装置模型试验结果

为了检验灌北、善南泵站潜水贯流泵装置的水力性能，扬州大学水利科学与工程学院进行了灌北泵站潜水贯流泵装置的模型试验研究工作，根据灌北泵站泵装置运行的实际要求，完成了该站泵装置模型－6°、－4°、－2°、0°和＋2°等 5个叶片角度的能量性能试验。

根据模型试验结果，换算至灌北、善南泵站原型水力性能，潜水贯流泵装置模型及原型设计工况和最大扬程工况的水力性能主要数据见表1。

泵装置模型试验结果表明，灌北泵站和善南泵站潜水贯流泵装置效率较高，设计工况下模型装置效率达77.2%，原型装置效率达80.7%。

四、大型潜水贯流泵站现场测试结果分析

灌北泵站和善南泵站目前已安装结束，并通过了试运行。对机组运行状况进行了现场测试，根据实测结果，灌北泵站装置效率最高可达到80.1%，在设计净扬程1.56 m时，单机流量可达到11.84 m3/s，泵装置效率可达到78.1%。

表1 灌北泵站泵装置性能主要数据（叶片安放角－1.7°）

五、结 语

针对灌北、善南泵站设计扬程特别低的特点，经多方案分析比较，选用了潜水贯流泵装置型式，并对泵结构进行了优化设计。泵装置模型试验和运行测试结果证明，该装置型式结构简单，开挖深度小，进、出水流道水力性能好，可在较低扬程下获得较高的泵装置效率。这种潜水贯流泵装置在低扬程的条件下具有优异能量性能的原因可以概括为：采用了最优的低扬程泵装置型式、优秀的贯流泵水力模型、合适的水泵叶轮直径以及水力性能优良的进出水流道等。随着我国潜水电泵制造技术水平的进一步提高，潜水贯流泵装置将会得到越来越多的应用。

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