全贯流潜水电泵的应用及出水端自耦式安装的稳定性分析

曹良军 刘长益 钟跃凡

（益阳市水务局 益阳市 413000）

1 概 述

资江位于湖南省中部，全长653 km，流域面积28 142 km2，穿益阳城区而过，与洞庭湖相接。益阳市位于长江中下游平原南岸的湘北洞庭湖区域。防洪、抗旱和排渍是工作之重。在益阳城区，有几个排渍泵站建于20 世纪80年代，临河而建。前些年城市防洪工程建设启动，原有单薄的防洪堤被宽大的风光带取代，泵站成了镶嵌在风光带里的一个小点，这就要求泵房既小巧又精致，甚至没有泵房只需建一个小型控制房，从而对水泵也有了新的要求。在这种特定的要求下，一种口径和长度几乎一样的泵，其造型独特，构造简单的泵应运而生。这种泵叫全贯流潜水电泵。其构造见图1。

全贯流潜水电泵的另一个特点是： 电机可以做成单绕组双速和双绕组双速两种形式，使水泵具有两种转速、两种扬程和两种流量，更加符合泵站的实际情况，也更节能。在以往的泵站设计和运行管理中，我们经常遇到一个现实问题，平时排渍靠自流渠道，只有当外河水位涨至与内湖水位相平，且遇大雨当外河水位高于内河水位时才启动水泵机组排渍，此时实际扬程几乎为零，泵站扬程也就（2～3）m，随外河水位上涨，扬程才慢慢增加，直至外河水位涨至最高，扬程达到最大。由于益阳城区所处的地域环境和水文特征，决定泵站设计扬程一般在（2～10）m 范围内，而主要运行的扬程在3 m 左右。这就出现一个问题：我们不得不选择高扬程的泵，而大部分时间在3 m 左右的低扬程下运行，这一矛盾导致水泵机组经常运行点工况差，效率低，浪费资源。双速电机双扬程全贯流潜水电泵能从根本上解决这一问题。

图1 构造图

2 全贯流潜水电泵在东门口泵站改造中试用

益阳城区东门口泵站为一老泵站，始建于1985年，安装3 台常规轴流泵，分别为2 台55 kW 口径500 mm 泵和1 台155 kW 口径700 mm 泵，设计扬程均为3.7 m。因外河设计水位提高，水泵设计扬程需增加2.3 m，故泵站改造时只能更换水泵。为了有所比较，且保证在各种内外水位组合下达到满意的排水效果，我们选择了1 台135 kW 700 mm 井筒式安装的潜水轴流泵，设计扬程3.7 m，两台双速500 QWZ-70 全贯流潜水电泵。其中全贯流潜水电泵采用导轨组件导向弯管底座支撑单臂自耦合安装方式。具有安装就位快捷，泵池清淤方便等优点。这2 台双速全贯流潜水电泵在不同转速（n=590 r/min，10 极及n=730 r/min，8 极）下的具体参数如表1、表2。安装改造如图2。

表1 500QWZ-70 全贯流潜水电泵性能参数表（n=590 r/min,叶轮直径D=605 mm）

表2 500QWZ-70 全贯流潜水电泵性能参数表（n=730 r/min,叶轮直径D=605 mm）

图2 安装改造图

经过两种泵型的运行比较，我们认为全贯流潜水电泵的主要优势是振动小，噪音小，目测流量大，改造方便，运行时如有杂物堵塞或故障，将泵吊出处理也极为方便。

3 全贯流潜水电泵在清水塘泵站建设中应用

清水塘泵站是益阳城区资江以北区域的排渍骨干泵站，设计装机3 560 kW，流量27 m3/s，属拆除原有小泵站移址重新建设项目。原清水塘泵站距离资江大堤450 m，出水流道为出水高渠形式，不利防汛，也严重阻碍城市的发展。新的建设方案将泵房移至靠近防洪大堤内侧，而此处为流沙地基，为了减少施工难度，节约工程造价，基础开挖深度越小越好。因此在选泵时，我们将最小淹没深度作为重点考虑内容。经过对全贯流电泵与常规潜水轴流泵的两种方案的比较，加上东门口泵站的试用情况的分析，我们大胆地选择了全贯流电泵。两者相比，前者可减少泵房部分基础开挖深度1.7 m，为减小施工难度，抢在次年汛期到来之时开机排渍创造有利条件。由于排渍泵1年中运行的时间很短，我们放弃了双速电机的方案。

（1）泵站装机情况。清水塘泵站装机8 台，其中90 kW 机组3 台、250 kW机组1 台、670 kW 机组4 台，各机组参数列表3。综合性能曲线图见图3。

（2）泵站建设情况。清水塘泵站于2011年10月21日破土动工。为了在少雨枯水期完成主体工程，赶在来年主汛期到来之前能够防汛排渍，工程日夜施工，并对施工设计进行了两个重点优化：一是将泵房底板抬高1.7 m，使基坑底部高程基本与外河水位持平，杜绝流沙产生；二是背水一战，取消导流管铺设，减少了一个施工环节，先是利用疏通渠涵导流，后是利用新建成的工程导流，充分发挥全贯流泵安装快捷的优势，边施工边导流边安装水泵。2011年农历年前顺利完成压力水箱以外电排涵管和自排涵管工程，年后开始主泵房压力水箱和内自排涵管建设；3月9日，一场大雨过后，老清水塘泵站排渍，渍水直接排入新建涵管，工程开始顺利导流；5月13日，大雨再次来临，外河水位陡涨，4 台水泵顺利开机排渍。这一工程从破土动工到首批水泵运行，仅仅耗时204 天（含春节假期和雨雪天气），全贯流泵的选择和设计方案的优化起到了关键的作用。1400QGWZ-50 全贯流潜水电泵安装如图4。

表3 清水塘泵站机组参数

图3 1400QGWZ-50 全贯流泵综合性能曲线图

图4 1400QGWZ-50 全贯流潜水电泵安装图

4 大型全贯流泵出水端自耦式安装方式的稳定性分析

提出并实施出水端推力自耦式安装方式，并给出推力自耦安装方式的稳定判据。出水端推力自耦式安装方式是现有污水泵自耦安装方式的一种创新。这种新型安装方式可以在不需要装拆一个螺栓，就可以完成泵在机坑内的安装，大大提高了快速性，而且没有安装接缝的水力损失，实践证明1 台670 kW 大型全贯流潜水电泵可在20 min 内完成安装或者拆卸作业。图5 为出水端推力自耦式安装方式。

图5 出水端推力自耦式安装方式

已投产的中大型全贯流潜水轴流泵的出口、进口直径已达1 400 mm，Q=5.65 m3/s，H=8.54 m，N=670 kW，泵重G=11.8 t，在益阳清水塘泵站中采用此安装方式投入工程实践。如果仍运用中小型污水泵自耦安装方式，将自耦挂件与出水管道制成一位的整体，那末全贯流轴流泵的重量G 对出水管下端法兰产生很大的弯矩 最终作用在坝的立面上，增加了土建工程结构的受力。其次推力自耦圆柱，不希望与出水管法兰过于靠近，否则会增加全贯流潜水电泵吊入自耦位置的安装难度。为此对口径≥900 mm 的全贯流潜水电泵开发了如图1 的出水端推力自耦安装方式。主要特点是原安装在出水管上的自耦推力斜面，现预埋在进水流道混凝土隔墩上，重力G 直接作用于隔墩并传递到进水流道的底板上。

为保证推力自耦安装方式在运行状态下是稳定的，应满足以下理论力学条件：

式中 Fw——轴流泵的轴向推力；

Fm——“O”型橡胶密封圈压缩的弹性力。

由∑Fx，可知，当Fx>Fw时，剩余即密封“O”型圈的正压力Fm。

当Fw=0 时，即由式（2）得Fx=Fw代入式（1）

式（5）代入式（4）得

作为最简单情况，如y1=R，则

由式（6）可见，α 越大，x1越小，F 越大。

由式（6）代入式（5）可得

由式（2）可知，泵体本身重力因斜面产生的X方向分力，在泵未运行时，Fw=0 Fx=Fm，即Fx被“O”型橡胶圈的弹性所平衡，当水泵运行时，泵产生的轴向力，其方向与Fx方向相反，由于产生了运行的轴向力，按式（2）Fm将减小，当Fm减小为0 时，说明密封面被推开，密封失效。

当y1为正值如图所示，“O”型橡胶密封圈的上、下边提供的密封反力与y1的大小有关。

上侧“O” 型橡胶密封圈提供的密封反力为：Fm1=

下侧“O”型橡胶密封圈提供的密封反力为：Fm2=

因此，当y1≠0 时，判定密封面是否被打开的稳定判据是下侧“O”型橡胶密封圈是否被打开，显然水泵运行的轴向力，分成上、下各一半是合理的。

式（7）即推力自耦密封方式运行稳定，密封面不被打开的通用判据。

（1）当水泵运行时，有指向斜面的水推力，会不会形成使推力耦合柱沿斜面爬升导致“O”型橡胶密封圈下沿，甚至整个被推开？只要注意到泵的重量G是向下的，在设计时注意选择角α、x1和y1就能满足式（7）的判据；

（2）从式（7）看，XG比x1大得越多，式（7）越能满足，也就越稳定。但如图1 所示是重力所在位置在自耦推力斜面支点的外面，重力G 会产生结合面“O”型橡胶密封圈向上爬的弯矩，会不会有结合面向上脱开的危险？ 在设计时如不注重这个问题的细节，是有可能发生的。关键是设计时要注意出水管道法兰宽度有足够的宽度，当“O”型橡胶密封圈发生轴向变形时，“O”型橡胶密封圈所在的泵体法兰面绕支点旋转时，应保证“O”型橡胶密封圈未超出法兰的宽度，则是稳定的。如果在设计时，取XG=x1，y1=R 时，则能彻底解决这一担心。此时稳定判据式（7）也简化成

要满足稳定条件式（8），只要增大推力斜面与水平的夹角α，就一定能满足，但是当（90°-α）橡胶密封圈与钢铁的摩擦自锁角β=tg-1（0.18）=11°时，会发生自锁，使起吊泵发生困难。因此在工程设计时，把稳定判据取值为：

对清水塘1 400 QGWZ-5.64/8.54-（50）-670D叶=120 cm，Dh=57.6 cm，G=11 800 kg，安全系数k=2.5，即与沿垂线的夹角为26.5°，工程图制作时取为24°。

（3）出水端推力自耦式密封安装方式与进出端方式的比较。如将出水密封改为进水端密封，斜面推力方向与运行时水推力方向是一致的。根本无须对耦合的稳定性进行判别，是一种结构性稳定的装置。对比如表4。

推力自耦安装方式，目前已完成叶轮直径2.6m，功率1 000 kW。由于快速安装性（一般能在10～15 min 完成拆卸和吊装），在水质特别恶劣的情况，如黄河高含砂量取水、高腐蚀性的化工污水或海水中使用，可利用快速安装性，在不取水的运行间隔期，快速提泵，进行冲洗、防锈，以加强运行管理来提高适应性、可靠性和使用寿命。

表4 对比表

（4）进口漩涡的处理改造。当时为了减少开挖深度，我们在厂家承诺的基础上尽量将最小淹没深度压到了最小。但运行证明，当670 kW 口径1 400 mm 水泵在淹没深度降至1 m 左右时，进水开始出现漩涡，此时水泵振动加大，噪音增加，出水流量减小。判断为进水流道中的水流出现了明显的液面涡带，涡带呈漏斗状进入全贯流泵的叶轮，吸入空气产生的。为消除液面涡带及由漩涡发生的涡带，在泵的进口部分设置压水板的方法经验及CFD 分析的结论是有效的。为此发展了簸箕型进水流道主要特征即有一个压水板。按这一经验及分析，2012年，我们试着设计了一个钢制的喇叭型收缩压水板安装在水泵进口处，经过几次运行，证明这一简单装置对消除进水口漩涡能够起到特别好的作用。后又用钢筋混凝土喇叭型收缩压水板取代了钢制喇叭型收缩压水板，2014年试机达到了预期效果。喇叭口改造如图6。

图6 喇叭口改造图

5 结 语

从2012年5月13日首批4 台水泵运行至今，工程边建设边运行，其中经历了模拟最高扬程运行和流量测定，还经历了进水口技术改造，7 台水泵（因资金问题尚有1 台670 kW 机组未订货安装）共运行1 765 台·时。从整体上看，是极为理想的。

（1）减少泵房基坑开挖1.7 m，大大减少了施工时流沙处理的难度，减少了工程量，节约工程资金数百万元。

（2）水泵机组安装便捷，边建设边受益，为2012年江北城区安全排渍度汛赢得了时间。

（3）这种潜水电泵本身具有以下优点： 运行平稳、振动小、噪音低、流量大、效率高，在安装维护方面，由于体积小、重量轻、结构简单紧凑，易于吊装抢修和维护，给管理带来许多便利。

需要说明的一点是： 清水塘泵站选用设计扬程为8.54 m 水泵，实际大部分时间在3 m 左右低扬程（泵站扬程）下运行，按理此时工况是不佳的。是因为考虑每年运行时间较少，才退而求其次的。如果水泵经常需要长时间运行，且扬程跨度大，选用双速电机泵是最好的。另外，湿电机在水质恶劣条件下抗老化能力有待时间考验，湿式电机效率是否可进一步提高，有待研究。