泗洪泵站贯流泵机组水力性能及结构特点分析

2015-12-24周伟卜舸江苏省水利勘测设计研究院有限公司扬州225127

治淮 2015年5期

周伟卜舸（江苏省水利勘测设计研究院有限公司扬州 225127）

周伟卜舸
（江苏省水利勘测设计研究院有限公司扬州 225127）

泗洪泵站在水力设计中应用CFD仿真技术，通过优化灯泡贯流泵装置进、出水流道型线减少水力损失，优化设计效果得到了水泵装置模型试验的验证，预测的泵装置性能与试验结果基本一致。灯泡贯流泵机组的整体结构、变频调节系统、主轴密封装置、轴承布置等主要设备的结构设计技术先进，保证了灯泡贯流泵机组的安全和可靠运行。泗洪泵站在设备招标中采用的国内外生产厂家技术合作的模式，为类似大型泵站机组选型、结构设计及机械制造提供了有益的参考。

灯泡贯流泵水力性能结构特点模型试验技术合作

1 主要设计参数

泗洪泵站设计扬程3.23m，最高扬程4.73m，平均扬程1.60m，安装后置式灯泡贯流泵机组5台套（1台备用），叶轮直径3050mm，单泵设计流量30m3/s。水泵与电动机直联传动，采用变频调节方式，电动机工频转速107.1r/min。泗洪泵站特征水位及净扬程见表1。

2 水力性能分析

2.1 内部流态分析

泗洪泵站灯泡贯流泵装置采用CFD仿真技术，建立了包括进水池、进水流道、水泵叶轮和导叶、灯泡体、出水流道和出水池在内的三维实体模型，网格结点数约50万个。采用RNG k-ε紊流模型，封闭定常流动N-S动量方程组，开展平均扬程工况下的水泵装置内部流动模拟，优化设计过流部件的型线，定性分析进出水流道内的压力场和流速场，定量计算不同过流部件的水力损失，预测泵装置的水力性能。

表1 泗洪泵站特征水位及净扬程

表2 灯泡贯流泵装置不同部件水力损失计算值

图1 泗洪贯流泵装置三维实体计算模型

图2 灯泡贯流泵装置内部流场图

图3 泗洪泵站灯泡贯流泵装置模型试验性能曲线图

图2为优化设计的泗洪泵站灯泡贯流泵装置在平均扬程工况下的内部流场图。从图中可以看到，进水流道中的流态平顺，沿程逐步加速，获得能量的水体，从导叶出口流出，在水流逐步扩散的同时，流速随之下降，受灯泡体和支墩的影响，从立面流场图看到流线不顺直，但在出水流道中逐步得到整理，随着流速进一步降低，流态得到改善，较均匀地流过出水流道。

2.2 水力损失计算

根据数值仿真结果，可分别计算图1中进水流道（A～B断面）、灯泡体（C～D断面）和出水流道（D～E断面）等不同部件的水力损失。表2为设计流量下贯流泵装置的水力损失计算结果。从表2看出，呈收缩状的进水流道水力损失最小，约占泵站总损失的8％；灯泡体的水力损失达到0.1015m，占总损失的比例达到了58.4％；呈扩散状出水流道的水力损失0.0584m。在平均扬程工况下，按泵段效率88％计算，预测的泗洪泵站灯泡贯流泵装置效率为79.38％。

2.3 模型试验验证

在日本株式会社荏原制作所试验台上，进行了泗洪泵站灯泡贯流泵装置模型试验，模型试验布置如图3所示。按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL140-2006）进行试验和验收。由于模型试验中灯泡的体积太小，以及试验转速的要求，无法在内部直接安装电机，所以在泵装置模型试验中，把水泵轴加长，穿过压力水箱，与布置其后的扭矩仪和电机相连。

图3为泗洪泵站灯泡贯流泵装置模型试验性能曲线，平均扬程下的水泵装置效率为79.5％，与CFD仿真计算预测的泵装置效率79.38％相比，两者误差较小，CFD的有效性得到了验证。

3 机组结构特点分析

3.1 整体结构

泗洪泵站水泵形式为后置式灯泡贯流泵，即顺进水流道方向、装有电机的灯泡体位于水泵叶轮后侧（后置），贯流泵与电动机采用直接连接。由于泵站运行水位变幅较大，通过变频器对电机进行控制，调整水泵转速，实现泵站运行范围内的高效、稳定运行。泗洪泵站灯泡贯流泵的壳体采用水平中开金属结构，机组总装配图如图4所示。从图4可以看到，水泵和灯泡体由水泵导叶体连接，叶轮、叶轮室、灯泡体内的电机定子、转子和主轴、电机壳体、水泵和轴承支撑壳体盖各自吊装、安装。导流壳体及相连水泵外壳为中开式结构，导流壳体下半部和外壳下半部均直接埋入混凝土，上部可自由拆装，方便灯泡体的安装。灯泡体的支承方式为整个机组采用固定导叶及电机机座的灯泡体支承方式，对电动机来说其支承主要靠机座底部法兰，机座底部法兰与底座固定。

图4 泗洪泵站灯泡贯流泵机组总装配图

表3 灯泡贯流泵装置不同扬程、转速下的性能参数表

3.2 主轴密封装置

泗洪泵站水泵主轴密封采用安全可靠、便于维护的填料密封。密封形式为接触密封，因此可确保调整主轴的润滑性能，保证水泵运行的稳定性。为防止漏出的水溅到各处，轴封处设有不锈钢制的填料压盖罩和水泵轴承完全隔离的集水箱，轴封处的漏水通过集水箱相联接的排水管道排出。填料压盖、填料压盖罩均采用中分构造，便于更换密封与轴封处检修。密封部内置在气囊密封内，采用注入压缩空气的方式，不需要进行水泵壳体内的排水，可以实现填料压盖的更换，维护更加方便。

3.3 轴承布置

贯流泵机组设水泵导轴承一个、电机组合轴承一组。轴承箱支座有足够强度和刚度以承受最大径向载荷，防止轴系的振动，保证机组运转可靠和检修维护方便。轴承箱采用迷宫式密封,并设有隔离环和隔离环盖等零件，保证既无油向外漏出，也无外部水及杂质进入轴承箱内。

机组的轴向推力由电动机侧的轴承承担，推力轴承与导轴承成组合体，推力轴承结构能承受正、反向的水推力，又能承受机组包括飞逸运行工况下的径向荷载。径向轴承以及推力轴承均采用SKF滚动轴承，结构简单，没有复杂的油路系统。

3.4 变频调节系统

从表1可以看出泗洪泵站设计净扬程3.23m，而平均扬程只有1.6m。按照《泵站设计规范》，在平均扬程时，水泵应在高效区运行，在整个运行扬程范围内，水泵应能安全、稳定运行。泗洪泵站采用变频调节方式，平均扬程工况下水泵运行在工频转速107.1r/min，效率达到83.2％，在设计扬程工况下，如果在工频状态，单机流量只有19.8m3/s，不满足规范要求，通过变频调速装置将电动机频率调至60Hz，水泵转速升至128.52 r/min，在设计扬程工况下，单机流量达到31.7m3/s，满足规范要求，水泵能安全、稳定运行。装置不同扬程、不同转速下的性能参数见表3。

变频器采用西门子高压变频调速装置，变频系统配置工频旁路系统设备，满足在不需要变频的情况下，电动机在6kV额定电压时能变频启动并切换至旁路工频运行。旁路系统配置6kV旁路断路器及变频器装置输入、输出侧6kV断路器。变频器装置具有在运行时变频向工频以及工频向变频的同步切换功能，切换时变频器使输出电压幅值、频率及相位与电网电压相同，并通过设置电抗器，减小切换时电流冲击。

3.5 同步电动机

贯流泵机组配套电动机为卧式同步电动机，额定功率2000kW，工频转速107.1r/min，额定电压10kV，效率94.5％，配有微机型励磁系统。电动机采用空—水冷却、内部强迫通风方式，利用轴流式风机使电动机内部空气流动起来，通过空冷器使高温空气与较低温度水进行热量交换，达到冷却电机内部循环空气的目的，保证电机内部绕组及电子元件在正常的温度范围内工作。