大型低揚(yáng)程泵裝置現(xiàn)狀及發(fā)展方向

大型低揚(yáng)程泵裝置現(xiàn)狀及發(fā)展方向

來源：《江蘇水利》2018年，泵友圈整理。

作者：戴啟璠 江蘇省灌溉總渠管理處

摘要：大型低揚(yáng)程泵站在江蘇得到廣泛的應(yīng)用。低揚(yáng)程泵裝置型式多樣，已經(jīng)在水力模型、進(jìn)水流道、出水流道設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高低揚(yáng)程泵裝置的性能，需要加強(qiáng)理論創(chuàng)新、試驗(yàn)技術(shù)、性能研究等方面的工作。

江蘇省平原面積和水域占全省國(guó)土面積85.7%，其占比之大居全國(guó)各省區(qū)之首。江蘇獨(dú)特的自然條件決定了低揚(yáng)程泵裝置在江蘇泵站工程中得到了廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)60年代江都排灌站建成以來，江蘇已建成各種類型的大型低揚(yáng)程泵站數(shù)百座，在跨流域調(diào)水、城市水環(huán)境改造、區(qū)域排澇等方面發(fā)揮了重要作用。

01

低揚(yáng)程泵裝置的分類和特點(diǎn)

低揚(yáng)程泵裝置按照機(jī)組結(jié)構(gòu)分為立式泵裝置、斜式泵裝置和臥式泵裝置，3種泵裝置型式見圖1。

立式泵裝置按進(jìn)出水流道分類，立式泵裝置的進(jìn)水流道按水流方向可分為單向進(jìn)水流道和雙向進(jìn)水流道，出水流道按水流方向可分為單向出水流道和雙向出水流道。立式泵裝置是大型泵站應(yīng)用最多的一種型式，江都排灌站的4座泵站都是單向立式泵裝置。斜式泵裝置按傾斜角度分類:斜式泵裝置的傾斜角度有15°、30°、45°和75°。

江蘇新廈港泵站安裝斜15°的斜式泵，上海張家塘安裝斜30°的斜式泵，內(nèi)蒙古紅圪卜安裝斜45°的斜式泵。臥式泵裝置有貫流式、軸伸式、豎井式。貫流式有全貫流式、前置燈泡式、后置燈泡式。軸伸式有前軸伸式和后軸伸式，有立面軸伸式和平面軸伸式。豎井式有前置豎井式和后置豎井式。圖2是全貫流式泵示意圖。圖3是淮安三站后置燈泡貫流泵示意圖。

不同型式的泵裝置具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。立式泵裝置具有電機(jī)工作環(huán)境好，水泵導(dǎo)軸承荷載較小，安裝檢修相對(duì)方便，設(shè)計(jì)和制造技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但水流從立式泵裝置進(jìn)水流道入口到出水流道出口，有2個(gè)接近90°的轉(zhuǎn)彎，水流流向的改變?nèi)菀滓鹚髅摿?，不均勻的流速分布可能?huì)產(chǎn)生旋渦、渦帶等。立式泵裝置的高度較大，不適合用于特低揚(yáng)程的大型泵站。

斜式泵裝置具有構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊，開挖量較小，廠房高度低，泵房底板受力均勻等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于立式泵裝置而言，斜式泵裝置的進(jìn)水流道水流轉(zhuǎn)向角度小于90°，阻力損失小，其出水流道轉(zhuǎn)角也小于90°，水力性能相對(duì)較好。斜式機(jī)組的電動(dòng)機(jī)位置較高，具有與立式泵裝置類似的通風(fēng)良好的優(yōu)點(diǎn)。臥式泵裝置的進(jìn)出水流道比較平順，水流條件好，水力損失小，裝置效率高，土建開挖量小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價(jià)也比立式泵裝置、斜式泵裝置高。

雙向泵裝置可分為雙向流道泵裝置和雙向轉(zhuǎn)輪泵裝置。雙向流道泵裝置通過雙層流道4個(gè)閘門的啟閉來調(diào)節(jié)水流的方向，達(dá)到雙向抽引抽排的目的，江蘇常熟望虞河泵站是雙向流道泵站;雙向轉(zhuǎn)輪泵裝置則通過葉輪的正反向運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)泵裝置的抽引抽排的功能。江蘇新溝河遙觀北樞紐泵站采用S型葉輪雙向泵，以滿足正反方向雙向引水需要。

02

低揚(yáng)程泵裝置的現(xiàn)狀

低揚(yáng)程泵裝置包括進(jìn)水流道、泵段及出水流道3部分。泵段對(duì)低揚(yáng)程泵裝置的性能有決定性的影響，進(jìn)水、出水流道對(duì)低揚(yáng)程泵裝置的性能也有重要的影響。

2.1 進(jìn)水流道

進(jìn)水流道是指泵站進(jìn)水前池至泵進(jìn)口的一段過水通道，它的作用是為了使水流在從前池進(jìn)入水泵葉輪室的過程中更好地轉(zhuǎn)向和加速，以滿足水泵轉(zhuǎn)輪對(duì)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)口所要求的水力條件。進(jìn)水流道是泵裝置的重要組成部分，進(jìn)水流道選型或設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅可能減少水泵的流量、降低水泵的效率，還會(huì)引起水泵的氣蝕和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)危及泵站的安全運(yùn)行。江都三站和劉老澗泵站都曾因?yàn)檫M(jìn)水流道問題嚴(yán)重影響了泵站的正常運(yùn)行。

大型臥式泵，容易設(shè)計(jì)成水流條件較好的進(jìn)水流道。大中型立式泵通過進(jìn)水流道從前池中取水，進(jìn)水流道要在較短的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)過不大于90°的角，還要保證水流平穩(wěn)，為水泵進(jìn)口創(chuàng)造良好的水力條件，它的型式和尺寸非常重要。

江都站多次模型試驗(yàn)結(jié)果表明[1]，改變進(jìn)水流道的尺寸和形狀，譬如改變進(jìn)水流道的高度，對(duì)進(jìn)水流道的水頭損失沒有明顯的影響，進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)不能單純著眼于水頭損失，而應(yīng)力求使水流出進(jìn)水流道后均勻進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，保證轉(zhuǎn)輪各葉片在同一工況下運(yùn)行。如果在進(jìn)水流道中放置前導(dǎo)葉，前導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的距離對(duì)水泵效率有影響。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為，前、后導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的距離對(duì)水泵效率均有影響。

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，水流在肘形彎管中轉(zhuǎn)彎時(shí)受到的離心力對(duì)進(jìn)水流道出口流速分布影響很大，采用不同曲率半徑的斷面漸縮肘形彎管，可以使出口流速分布均勻，減小水力損失。陸林廣[3]提出進(jìn)水流道出口流速分布平均度和水流入泵平均角2個(gè)目標(biāo)函數(shù)作為進(jìn)水流道流場(chǎng)優(yōu)劣的考核指標(biāo)。

江都三站進(jìn)水流道建站時(shí)為平面渦殼鐘形流道，建成后水泵氣蝕嚴(yán)重，有間歇性的強(qiáng)烈振動(dòng)和噪音，在20世紀(jì)70年代作了2次改造，1次是將渦殼鐘形流道后部用混凝土填補(bǔ)，改為半肘形流道，1次是用塊石混凝土充填流道后部?jī)蓚?cè)旋渦區(qū)，并在流道后部中間高置鋼筋混凝土隔板。改造后，進(jìn)水流道出口流速分布平均度88.48%，水流入泵平均角84.48°，流場(chǎng)仍然很差。2005年，江都三站改造，對(duì)肘型彎曲段的型線進(jìn)一步優(yōu)化，使得進(jìn)水流道出口流速分布平均度達(dá)到97.36%，水流入泵平均角86.27°，達(dá)到正常進(jìn)水流道水平。

南水北調(diào)新建的洪澤站肘形進(jìn)水流道出口流速分布平均度97.5%，水流入泵平均角88.6°?；窗捕局庑芜M(jìn)水流道出口流速分布平均度93.3%，水流入泵平均角87.83°，進(jìn)水流道水力損失9.8cm，流態(tài)較為平順，由于流道高度偏小，流道寬度方向收縮偏快，造成出口流速分布平均度略差，根據(jù)改造泵站“只填不鑿”的要求，淮安二站進(jìn)水流道改造時(shí)沒有再作優(yōu)化。

立式泵裝置的進(jìn)水流道按進(jìn)水方向可分為單向進(jìn)水流道和雙向出水流道，其中單向進(jìn)水流道有肘形、鐘形及簸箕形3種基本型式，見圖4。

肘形進(jìn)水流道是大型泵站最常見的型式，江都排灌站、淮安二站都是肘形進(jìn)水流道，它的缺點(diǎn)是地基開挖深度較大，工程造價(jià)較高，不適合特低揚(yáng)程大型泵站。

鐘形進(jìn)水流道由進(jìn)口段、吸水蝸室、導(dǎo)水錐喇叭管組成，由于水泵進(jìn)口喇叭下懸如鐘形，故稱為鐘形進(jìn)水流道。這種型式的流道高度較小，故機(jī)房底板可以抬高。

簸箕形進(jìn)水流道形狀簡(jiǎn)單，于20世紀(jì)90年代從荷蘭進(jìn)入我國(guó)。簸箕形進(jìn)水流道在基本尺寸方面與鐘形流道十分接近，也是高度較小、寬度較大，但前者對(duì)寬度的要求沒有后者那樣嚴(yán)格，不易產(chǎn)生渦帶。上海郊區(qū)首次將簸箕形流道應(yīng)用于小型泵站的節(jié)能技術(shù)改造，江蘇劉老澗泵站首次將簸箕形流道應(yīng)用于大型泵站，但是，效果不理想。

雙向進(jìn)水流道的泵裝置應(yīng)用于灌排結(jié)合的泵站，可以節(jié)省投資，節(jié)約土地。早期建成的雙向流道泵站有南京武定門抽水站、鎮(zhèn)江諫壁抽水站、安徽鳳凰頸抽水站，以及后來的常熟泵站、高港泵站、魏村泵站等。我國(guó)已建泵站的雙向進(jìn)水流道形式大體可分為肘形對(duì)拼式雙向進(jìn)水流道(例如鎮(zhèn)江諫壁抽水站)、箱涵式雙向進(jìn)水流道(例如南京武定門抽水站)及平面蝸殼式雙向進(jìn)水流道(例如安徽鳳凰頸抽水站)。

2.2 出水流道

出水流道的作用是使水流在從水泵后導(dǎo)葉出口流入出水池的過程中更好地轉(zhuǎn)向和擴(kuò)散，在不發(fā)生脫流和旋渦的條件下**限度的回收動(dòng)能，有虹吸式和直管式2種型式，見圖5。

在采用虹吸式出水流道不能滿足駝峰頂部真空度的要求時(shí)，采用直管式出水流道，流道的出口不能被水淹沒的情況下，可采用屈膝式出水流道，如圖6。其進(jìn)口與出水彎管出口相連，管道中心線沿流向下降，截面面積和幾何形狀逐步擴(kuò)大、變化，出口淹沒于最低運(yùn)行出水位以下。

典型的如湖北凡口泵站，虹吸式流道采用真空破壞閥配合拍門斷流的方式，即在設(shè)計(jì)流道時(shí)將駝峰位置定在一般高水位以上，在正常運(yùn)行時(shí)由真空破壞閥斷流，將拍門吊平;當(dāng)外河水位超過駝峰高程時(shí)，由設(shè)在流道出口的拍門斷流，這樣駝峰可以定得低一些，就能適應(yīng)水位變化較大的情況，從而可較好地改善機(jī)組啟動(dòng)條件。

雙向出水流道型式大體可分為三通式、肘形對(duì)拼式、直錐喇叭出水室式、曲線喇叭管出水室式、平面蝸殼式、傘形虹吸式、矩形有壓涵洞式、雙向平面對(duì)稱蝸殼式和開敞水槽式等。圖7是工程實(shí)踐中的幾種雙向進(jìn)、出水流道。

2.3 泵段

泵段包括葉輪、葉輪室和前、后導(dǎo)葉體。水流在經(jīng)過泵段時(shí)，葉片的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水流的機(jī)械能，泵段是泵站的心臟。為了便于模型試驗(yàn)比對(duì)，通常在模型泵段后導(dǎo)葉體出口加接1個(gè)60°彎管，統(tǒng)稱為水力模型裝置。

從20世紀(jì)江都排灌站興建、20世紀(jì)90年代大型泵站改造，到2013~2017年南水北調(diào)東線工程建設(shè)，低揚(yáng)程水力模型裝置已形成比較完整的系列，可以適用不同揚(yáng)程泵站的需要。泵段最高效率達(dá)到86%，對(duì)應(yīng)的葉輪效率已經(jīng)達(dá)到93%左右，技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類水泵的水平。其標(biāo)志性的工程有:淮安二站的2臺(tái)國(guó)內(nèi)**的軸流泵，轉(zhuǎn)輪直徑4.5m，單泵流量60m3/s;皂河泵站2臺(tái)國(guó)內(nèi)**的立式混流泵，轉(zhuǎn)輪直徑6.0m，單泵流量100m3/s;淮安三站2臺(tái)可逆式燈泡貫流泵，轉(zhuǎn)輪直徑3.1m，單泵流量30m3/s，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.3m下，最高效率77.6%;寶應(yīng)站在設(shè)計(jì)揚(yáng)程7.6m下，最高效率85.3%;睢寧二站在設(shè)計(jì)揚(yáng)程8.3m下，最高效率83.5%;引淮入石泵站在**揚(yáng)程10m下，最高效率78.4%。

03

低揚(yáng)程泵裝置的發(fā)展方向

經(jīng)過60多年的發(fā)展，我省大型低揚(yáng)程泵裝置取得了很大的進(jìn)步，為了使大型低揚(yáng)程泵裝置更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還需要在以下幾個(gè)方面努力，以提高大型低揚(yáng)程泵裝置的性能:

3.1 開展泵裝置的特性全方位的研究

泵裝置特性的研究應(yīng)當(dāng)包括效率、空化性能、穩(wěn)定性和過渡過程幾個(gè)方面。但目前研究主要集中在效率方面，其它方面研究的不夠、甚至很少去研究。主要表現(xiàn)在泵的效率不斷地提高，對(duì)泵裝置考核的主要指標(biāo)也是效率，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)效率能夠達(dá)到事先預(yù)估的數(shù)值。盡管對(duì)空化性能也有要求，但事實(shí)上幾乎沒有考核。雖然泵站的空化余量都滿足要求，但水泵依然受到空蝕破壞。

在穩(wěn)定性方面，僅在模型試驗(yàn)時(shí)測(cè)量壓力脈動(dòng)，并沒有硬性考核的指標(biāo)，并且原模之間如何換算還沒有足夠的理論支撐，尚不能根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果準(zhǔn)確預(yù)測(cè)真機(jī)的穩(wěn)定性。在過渡過程方面，迄今為止，對(duì)泵裝置的過渡過程研究較少，且現(xiàn)有的研究多數(shù)都基于一維流動(dòng)理論，局限性明顯。應(yīng)用三維流動(dòng)理論研究泵裝置過渡過程的成果較少，至于現(xiàn)場(chǎng)過渡過程的測(cè)試更少。但過渡過程對(duì)泵裝置的危害遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)過程。因?yàn)檫^渡過程中泵裝置內(nèi)部的流速和壓力急劇的變化，其值可數(shù)倍于設(shè)計(jì)工況，對(duì)泵裝置的危害較大，根據(jù)測(cè)試，江都二站啟動(dòng)時(shí)的**揚(yáng)程11.5m，江都三站啟動(dòng)時(shí)的**揚(yáng)程14m，遠(yuǎn)大于江都站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

3.2 加強(qiáng)理論創(chuàng)新

目前泵裝置的理論基礎(chǔ)仍是19世紀(jì)歐拉根據(jù)動(dòng)量矩定理推導(dǎo)出來的歐拉方程，歐拉方程稱為水泵的基本方程。應(yīng)用歐拉方程可以分析一些水流現(xiàn)象對(duì)泵裝置運(yùn)行的影響，分析泵葉片的形狀變化，推導(dǎo)出許多有用的計(jì)算公式。但是，歐拉方程不適用于多相流和過渡過程，而泵裝置的多相流和過渡過程是當(dāng)前泵裝置研究的短板，需要理論上的創(chuàng)新為多相流和過渡過程的研究提供基礎(chǔ)。

3.3 提高計(jì)算能力，縮短泵裝置的設(shè)計(jì)周期

目前很多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值計(jì)算開展泵裝置性能的研究。囿于計(jì)算能力限制，多數(shù)情況下都是分別以進(jìn)水、出水流道、泵段為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，而沒有或者很少以整個(gè)泵裝置為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，泵裝置內(nèi)不同部件的相互干涉因素依靠學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)事先假定，這樣的計(jì)算結(jié)果難免與實(shí)際有誤差。如果以整個(gè)泵裝置為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，耗時(shí)較長(zhǎng)，如果是過渡過程的計(jì)算，則耗時(shí)更長(zhǎng)。

由于泵裝置的設(shè)計(jì)或優(yōu)化周期較長(zhǎng)，因而很少為具體的泵站量身定制泵裝置，而是拿已有的轉(zhuǎn)輪和流道組合來設(shè)計(jì)新的泵站，目前不論是設(shè)計(jì)單位還是生產(chǎn)廠家，基本上都是在南水北調(diào)同臺(tái)對(duì)比的二十幾個(gè)轉(zhuǎn)輪中擇優(yōu)選取，這樣組合產(chǎn)生的泵裝置有可能并不完全適合某個(gè)具體的泵站，應(yīng)當(dāng)以某個(gè)具體的泵站的水位、流量為約束條件，開展整個(gè)泵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 進(jìn)一步提高泵裝置的測(cè)試技術(shù)

目前泵裝置的測(cè)試都是在試驗(yàn)室的模型試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試模型泵裝置的外特性，主要是能量特性和空化特性?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要是能量特性測(cè)試，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，所測(cè)的范圍有限。而對(duì)其內(nèi)部的三維流場(chǎng)分布難以測(cè)試，進(jìn)出水流道有一些測(cè)量流場(chǎng)的方法，而導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪內(nèi)的三維流場(chǎng)測(cè)試還沒有有效的方法，其內(nèi)部流場(chǎng)的分析主要依賴于CFD的計(jì)算結(jié)果。而至少就目前的科學(xué)水平，CFD的計(jì)算結(jié)果只是近似結(jié)果，因?yàn)镹-S方程組解的存在性依然是數(shù)學(xué)家們需要努力解決的難題。

盡管CFD計(jì)算是目前泵裝置優(yōu)化比較流行的方法，但是，CFD的計(jì)算準(zhǔn)確度與計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系。比如:在計(jì)算進(jìn)出水流道時(shí)，環(huán)量就是計(jì)算者憑經(jīng)驗(yàn)人工給定的;在**工況下CFD的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，偏離**工況后則誤差較大。至于應(yīng)用計(jì)算軟件計(jì)算的流固耦合、聲振耦合、模態(tài)分析等的計(jì)算結(jié)果還難以用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。這些都說明現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于計(jì)算技術(shù)，不能滿足行業(yè)發(fā)展的需要。

3.5 進(jìn)一步提高特低揚(yáng)程、雙向泵裝置性能，擴(kuò)展貫流泵的應(yīng)用范圍

近幾年，在江蘇南部地區(qū)興建的特低揚(yáng)程泵站，揚(yáng)程在1m左右，這些泵站的效率普遍較低，不到70%，雙向轉(zhuǎn)輪泵的效率更低，且可供選擇的水力模型較少，需要加強(qiáng)特低揚(yáng)程水力模型的開發(fā)與研究。

貫流式泵裝置由于進(jìn)出水流道比較順直，水力損失小，所以泵裝置的水力效率比立式裝置高，并且貫流式泵裝置的流道是水平順直，其開挖深度也比立式泵裝置小。但是，目前貫流式泵裝置的揚(yáng)程通常都在4m以下。水輪機(jī)行業(yè)已研制出比轉(zhuǎn)速100~350，適應(yīng)水頭20~300m的貫流式水輪機(jī)，極大地拓寬了貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用范圍。

作為貫流式水輪機(jī)的鸞生兄弟貫流泵完全可以提高使用揚(yáng)程?？偳芾硖幒秃雍４髮W(xué)已聯(lián)合研制了一種可用于7~10m揚(yáng)程的貫流泵裝置。在有自流要求的情況下，立式裝置下層進(jìn)水流道可作為過流通道。但現(xiàn)有的貫流式泵裝置不具備這樣的功能。因此，有必要開發(fā)具有泄水功能的貫流式泵裝置。如果能夠開發(fā)高效雙向抽水、雙向發(fā)電、雙向泄水、高揚(yáng)程的貫流式泵裝置，將擴(kuò)大貫流式泵裝置的使用范圍。

04

結(jié)語(yǔ)

為了進(jìn)一步提高大型低揚(yáng)程泵裝置的性能，更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們要認(rèn)真總結(jié)在大型低揚(yáng)程泵裝置方面取得的成績(jī)和存在的問題，組織力量，集中攻關(guān)，爭(zhēng)取在提高大型低揚(yáng)程泵裝置的性能方面有突破性的進(jìn)展，為江蘇經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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