立式泵装置在特低扬程排涝泵站中的应用研究

沈春林，徐士坤

（1.南通市九圩港水利工程管理所，江苏南通 226300；2.江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州 225200）

0 引言

特低扬程排涝泵站是专门为排涝工程提供一定压力和流量的液压动力和气压动力装置的泵站工程。目前我国低扬程排涝泵站的建设规模在全球处于领先地位，特低扬程排涝泵站是其中的一种类型，为不同区域的调水、引水工作作出了重要贡献，是国家社会安定、经济快速发展的重要因素之一。立式泵是离心泵的一种，能够通过离心原理输送液体，将其用于特低扬程排涝泵站中，能够提供水资源调配、水环境改善、城市防洪排涝等相关工作效率。目前，国内正在积极新建一大批用于防洪排涝的低扬程泵站，立式泵装置作为其中的重要环节，对泵站工作至关重要，加强相关方面的研究，对特低扬程排涝泵站的建设和发展具有重要意义。

1 特低扬程排涝泵站泵装置型式

1.1 立式泵装置

立式泵装置如图1 所示，该装置在国内运用最早，技术最为成熟，主要运用于灌溉排水工程中，能够为工程节约资金，它的电机能在良好的环境下工作，安装和维修省时省力，运行效率较高。该装置的水泵泵轴中心和水平线垂直，在运转的过程中不会承载更多重量，误差和偏差均比较小，当泵中有水流流出，水流需要偏转90°，这个角度不宜过大，否则会产生脱流等问题，影响其工作效率。

图1 立式泵装置

1.2 贯流泵装置

主要分为竖井贯流泵、灯泡贯流泵两种，相对于竖井贯流泵而言，灯泡贯流泵的水力损失是最小的，运行效率很高，但是对于泵机的密封性有一定要求，在工作的时候灯泡体会完全浸入水中，是由灯泡贯流式水轮机转化而来，各部位机件紧凑，结构较为复杂，安装比立式泵更加费力费时。

1.3 卧式轴伸泵装置

该种装置管理较为方便，整个电机结构相对简单，造价便宜，并且水泵工作效率得到行业认可。主要特点是泵轴呈水平状态，检修难度相对较高，在水流进入泵机的时候难免发生弯曲的情况，水力性能不如笔直流道的泵机好。

1.4 斜式轴伸泵装置

该种装置的泵轴会根据一定的角度倾斜安装并且和电机连接，倾斜角度主要有45°、30°、15°，也有部分斜角为20°的。斜式延伸泵工作时倾斜角度越大，流道弯曲越大，导致其内部水流情况变差，造成大量的水力损失。这种泵机布局紧密，需要通风性良好，整个水泵属于泵壳中开的结构，安装比较方便，泵轴倾斜会使其承受一定重力，导致下轴承经常磨损，难免会发生故障，该种泵机安装有一定难度，并且有一定的水道偏流问题[1]。

2 立式泵装置在特低扬程排涝泵站中的应用

2.1 立式泵装置优缺点

立式泵作为国内运用最早的装置形式，目前在国内运用较为广泛，经过实践证明该装置形式运行效果良好并且安装简单。脊柱的传动方式也相对直接，泵机组长度不长，基础共用，可以防止基础沉降不均匀的问题。泵机的安装为自下而上，先组装水泵看是否合理，然后再考虑电机的连接。机组一般安装于水位最高的地方，这种泵具有一定防潮性能，并且一旦出现故障，检修也较为方便。泵机的泵轴和电机轴之间由联轴器相衔接，三个装置呈竖向，支撑部件的中心线垂直，水泵导承轴不能承受太大的压力，承轴磨损较小，电机内部的摩擦也相对稳定，故障出现的概率较小。在泵机运行过程中，水泵轴和电机轴相互协作运动，结构紧凑、振动比较小，因此有良好的防噪性能。在水池水位较低时，由于其进水道是肘形的，具有足够的高度和窄小的宽度，提升了其水力性能。在机泵运行过程中，这种肘形的水道还有助于随时断流，不会产生任何不安全影响，在水位较低时也能很好地使用。在一些大型的水利工程中，这类泵机受到行业的一致认可。本文研究的立式泵装置即采用肘形进水流道与虹吸式出水流道，具有操作简单、自动化程度高的特点，机组运行的稳定性能优良，使用寿命长。立式泵的缺点则是机组安装面积相对较小，因此负荷相对集中，对泵房的稳定性有一定要求，对地质条件也有一定影响。

2.2 合理性分析

机电设备是泵站重要的组成部分之一，关系到水电工程的安全。立式泵装置在出厂时一般是零部件，需要将零部件运输到现场组装，这些零件极为复杂，对安装细节要求很高，因此在安装过程中需要技术熟练并有耐心，否则容易导致使用时发生各种故障，影响泵机的使用寿命。安全问题一直都是泵站运行管理的核心问题，在泵机运行管理中需要遵循养护维修、控制运行、观测检查三大原则。并且在观测检查过程中需要定期展开检查，一般是每60 d 进行一次，在日常使用中也要注重养护，严格按规范操作使用，并且全面落实机电养护工作，发现问题及时解决。目前立式泵的安装工艺已经十分成熟，且泵的自动化程度比较高，日常检修工作比较简单，容易操作。立式泵用于特低扬程排涝泵站，能够节约大量检修资金，该装置的虹吸式出水流道配备真空破坏阀断流设施，比其他设施更加节约资金，能满足特低扬程排涝泵站所需要，因此立式泵装置在特低扬程排涝泵站中的应用是合理的。

3 应用实例

3.1 泵站的基本参数

某泵站属于大型排涝泵站，一年运行时间约2 个月，因此运行时间不长，共配置立式泵8 台，总流量180 m3/s，排涝能力极强，当水位较高时，能满足区域排水安全需求，该泵站的设计参数见表1。

表1 某泵站设计参数

3.2 泵站进水流道优化水力设计

结合给定的控制尺寸进行设计，得出肘形进水道方案1，并结合实际情况调整流道断面和线形的变化规律，如图2 所示[2]。在对方案1 实施过程中要进行相关模拟计算，得出结果为：流道出口断面流速分布均匀度为98.01%、水流入泵平均角度为86°，流道水头损失0.104 m。

图2 方案1

为了让泵段进口有更好的水力条件及方便施工安装，在方案1 的基础上进行设计升级，方案2 将流道出口座环的锥角降低一定度数，并增加椎角的高度，并适当调整对流道肘弯段形线（图3）。通过对方案2 的设计流量进行计算，得出结果为：水流入泵平均角度为87.2°，流道水头损失0.089 m。

图3 方案2

3.3 泵站出水流道优化水力设计

虹吸式出水流道方案严格执行招标阶段设定的方案，尺寸均按照以上方案执行设计。结合甲方要求，根据对方提供的水泵顶盖安装尺寸，对流道线形及流道断面由圆形渐变为矩形的规律进行适当调整，并结合相应公式计算设计流量，计算出流道水头损失为0.399 m。根据计算可知，出水流道内的水流会受到惯性以及泵站水流横向流速的基础上不断上升，方向为顺时针且是螺纹状不断旋转上升，在水流上升的过程中，断面面积增大则水流扩散，流速分布也是由内而外，整个过程平稳顺畅，没有出现不良状态。到达驼峰时，能够保持良好的流速和状态，随着水流不断向下，会出现向左偏流或者向右偏流的情况，流道两侧的流场不对称趋势愈加明显，整体表现的流速略低。因此在设计时，一方面要满足水泵顶盖安装要求，另一方面要降低水流道的水头损失，需要在以上方案的基础上再次优化，将曲段形线与流道上升段形线良好衔接，让流道形线在水泵顶盖预埋螺栓下方适当下凹，并再次计算流道水头损失为0.377 m。两套方案中，方案2能明显降低流道水头损伤，并且设计性能良好，可以作为该泵站出水流道的首选方案[3]。

4 结束语

我国特低扬程排涝泵站中应用最为广泛的是立式泵装置和贯流泵装置，目前立式泵装置的运用不断成熟，并且装置的可靠性高，在安装和检修方面更为方便。研究立式泵装置的运用，能够节约泵站水力，提升装置的工作性能。目前国家正在大批量建设特低扬程城市防洪排涝泵站，这些泵站每年运行时间不长，而立式泵装置可靠性高、容易检修，因此成为特低扬程排涝泵站的第一选择。