平面S形轴伸泵在苏州市城市防洪工程中的应用

陈 晔 程 实

（江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司 江苏苏州 215128）

1 概况

江苏省苏州市城市中心区位于苏州市区中部，以苏州古城为中心，面积约84km2。在城市防洪工程实施之前苏州市城市中心区防洪标准不足50年一遇，防洪标准偏低，排涝能力不足。另外，近年来京杭大运河水质污染严重，因此必须阻止京杭大运河污水进入城市中心区。为此应在城市中心区建立防洪工程，其中9 座泵站将承担260m3／s的抽排任务。通过一系列防洪工程的实施，使城市中心区达到防御200年一遇洪水的防洪能力，全面提高河道泄洪能力和排涝标准，同时加强苏州市城区的水环境保护能力，改善其水动力条件。水泵在城市防洪工程运行中起着最关键的作用，因此须研究选择合理的泵型。

2 前期工作研究

承担抽排任务的9大泵站的设计流量和特征扬程如表1所示。分析此表，可以得出：（1）九大泵站大都是双向运行泵站，多个泵站的扬程、流量及运行方式都相同，在做泵型选择时须考虑尽可能采用相同的泵型，有利于将来的维护管理；（2）设计工况扬程很低，较难提高水泵运行效率；（3）除澹台湖泵站外其余泵站的设计总流量均在15～30m3／s，泵站机组的单机流量为5m3／s较适合。

城市防洪工程中，泵站是关键的排涝设施，其泵型的选取将直接影响泵站运行安全可靠性，维护管理便利性，运行效率高低，建站的投资及运行管理费。根据《泵站设计规范》，并结合苏州市具体实际以及工程运行特点，应从以下几个方面考虑选择泵型。

表1 苏州市城市中心区防洪工程各泵站流量及特征扬程

（1）所选泵型的水力性能优良，适用于特低扬程、双向运行的泵站。

（2）水泵技术成熟，运行安全可靠。

（3）水泵装置操作简单，维护、检修方便。

（4）机组造价、工程投资和运行费用经济合理。

按照上述的泵选原则，分析目前在低扬程下常用的泵型，以下泵型可供选择：立式潜水泵、竖井贯流泵、潜水贯流泵、斜式轴伸泵、平面S 形轴伸泵。其中立式潜水泵装置效率低，需要设置双层流道和两套闸门系统、土建及金属结构投资大；电机功率大、运行能耗大。另从近年的工程实践来看，竖井贯流泵最小单机流量8m3／s，5m3／s单机流量的泵站若采用竖井贯流泵则竖井尺寸偏小，机组安装困难、通风冷却条件较差，因此竖井贯流泵也不参与比选。潜水贯流泵、斜轴泵和平面S形轴伸泵的水力性能适合特低扬程泵站，并具有双向运行的能力，因此是理想的候选泵型。

3 设计选型

泵型的比选一般从各方案的泵型特点、站身结构布置、工程投资、泵站能量特性、运行管理来比较。潜水贯流泵、斜轴泵和平面S形轴伸泵三种泵型各有优缺点，这里不赘述；由于目前尚无三种泵型的同台试验成果，对泵站能量特性无法作真实、详细的比较，但参考以往的模型试验，三种泵型的模型装置正向最高效率均在60%～70%之间，高于一般的立式轴流泵（扬程在3m 以下）的最高效率；一次性工程投资相差不大，采用三种泵型工程投资相差最大为6%左右。

泵站的运行稳定性、安全可靠性、维护管理便利性应该是城市防洪工程泵选的主导因素，所以下面着重对三种泵型的管理、维护特点进行分析。

运行管理的比较主要是比运行费用、安全可靠、维修方便和运行环境。

（1）三种泵型可以选相同功率的电机，装置性能相差不大，所以用电量或运行费用也大致相同。

（2）三种泵型的研究应用的时间长短不同，也都是或多或少地存在安全可靠的问题，但程度不同：

①潜水贯流泵的故障点主要在于密封性能。潜水电机密封于水下泵体中，当内部出现问题时，无法直接快速地查明并排除故障。由于事故的出现事前无警示，因此具有突然性；由于必须整体返厂检修、做密封性能试验，势必出现停机时间较长的状况。这在防洪排涝期间影响较大。

②斜轴泵水导轴承受力情况复杂，因此国内已建的运行时间较长的泵站出现轴承故障比较普遍，短期内仍将会影响这种泵型的应用。但这种故障点在明处，事前可预警，事后可就地检修，处置时间短。

③平面S形轴伸泵也可能存在轴瓦损坏问题，虽然目前尚未得到类似泵站轴瓦损坏的信息，但仍需重视这一问题。这种故障点的出现率尚不及斜轴泵多，预警、检修和处理时间与斜轴泵相同。

（3）潜水贯流泵出现问题大都必须整体返厂检修，但不出现问题、运行期满后也必须整体返厂检查保养，很不方便；而斜轴泵和平面S 形泵可就地检修，比较方便。

（4）潜水贯流泵处在水下，电机运行时散热条件好，噪声低，运行环境好。斜轴泵和平面S形泵电机处于底板上，噪声相对较大，散热条件相对较差，运行环境不如潜水贯流泵好。

综上所述，安全可靠、维修方便应是运行管理比较的重点，在这方面，平面S形轴伸泵较好，斜轴泵次之，潜水贯流泵较差。三种泵型都有工程经验，都有可取之处。潜水贯流泵装置效率较高，运行管理环境良好，极有发展前景，但目前存在的运行可靠性问题及检修困难问题，则应谨慎对待；斜式轴伸泵的轴承受力情况复杂，轴承易磨损问题比较突出，需要继续研究克服；平面S形轴伸泵方案水力性能条件较好，效率较高，水泵运行中可能出现的问题应比斜轴泵容易克服，因此采用平面S形轴伸泵方案较为适合苏州城市中心区防洪工程。平面S形轴伸泵装置平面示意如图1所示。

图1 平面S形轴伸泵装置平面示意

4 数模分析和装置模型试验

目前采用三维紊流数值模拟预测泵站性能的方法，已得到了越来越广泛的应用。各种商用计算软件FLUENT 等也已逐步被用于泵站流动模拟与性能预测中，用以进行数值试验，研究开发新的模型叶轮。在泵站设计的初期，对平面S形轴伸泵的不同导叶形式、不同的流道型线进行了数模分析、优化，以确定合理的导叶体形式和流道型线。试验结果主要有：

（1）直型流道水损较曲线型流道小约8.0%～20.0%。对于平面S形轴伸泵宜采用直型进出水流道，因其流道简单，水力损失与弯型流道相比较小。

（2）平面轴伸泵正向运行时，出水流道水头损失为进水流道水头损失的7～8倍，因此优化出水流道弯段型线，对提高泵站效率有明显效果。

（3）弯管直径对装置的影响大于转弯半径的影响，增大弯管直径可以更显著地减小水头损失。弯管直径为1400mm 的出水流道水力损失比1500mm的大49mm。

（4）设计流量工况下，采用的直型进水、弯型出水流道的平面S形泵装置效率稍高于潜水贯流泵的装置效率。

为了准确检验平面S形轴伸泵装置的水动力性能，必须进行装置模型试验。试验选择防洪工程中使用最多的双向泵站作为试验对象，试验叶轮采用双向叶轮，正向工况下，模型最高装置效率为65.5%，反向工况下模型最高装置效率为55.2%。反向工况的汽蚀性能比正向工况的汽蚀性能差，当叶片角度为＋4°时最大临界汽蚀余量Δh ＝9.78m，高于一般的采用单向叶轮的卧式泵的最大临界汽蚀余量。预计单向平面S形轴伸泵装置的最要效率和汽蚀性能都优于双向平面S形轴伸泵装置的。

5 机组运行情况及经验

机组在各工况下试运行，正反向运行均平稳，反向电机功率大于正向电机功率，运行时机组噪音正常，且正向噪音略小于反向的，均与模型装置试验结果相符，机组运行各项性能指标均满足规范要求。需提及的是采用双向叶轮的平面S形轴伸泵装置的反向汽蚀余量相对较大，故在采用双向叶轮的平面S形轴伸泵的泵站，应尽可能降低叶轮中心线高程，并留有余地，使反向运行条件更优。在其中一座泵站机组试运行过程中发现水泵有异响，后经检修发现是由于采用质量较差的弹性塑料轴瓦所致，更换水导轴承材料后水泵恢复正常，因此平面S形轴伸泵的水导轴承问题应引起重视。目前所有泵组已经安装完毕，完成了试运行和并均通过验收。

6 结语

城市防洪工程是保障城市安全的减灾性工程，且每年运行历时段短，而城市防洪工程的效益主要就是体现在其短暂运行期间内所发挥的防灾、减灾作用上。因此，在选择作为城市防洪工程主要组成部分的排涝泵站泵型时，水泵运行的安全性、可靠性就成了主导因素。平面S形轴伸泵水力性能条件较好，装置模型试验效率较高，安全可靠、维修检修方便，安装过程简单、便捷，试运行所有机组正、反向运行平稳，机组工作正常。据此平面S形轴伸泵已经应用于苏州市城市中心区防洪工程的东风新、仙人大港、大龙港、胥江等7 座泵站，经过3～4年的运行，目前水泵使用情况均良好。

1 河海大学水电学院.苏州市城市防洪工程东风新泵站装置模型试验研究报告［R］.2005.10.

2 河海大学.苏州市防洪工程泵站水力特性及优化设计研究［R］.2005.6.