張志民，李萬平，蔡振東，李慶瑞（天津水利電力機電研究所，天津 薊縣 301900）

移動泵站技術發(fā)展及應用前景

張志民，李萬平，蔡振東，李慶瑞
（天津水利電力機電研究所，天津 薊縣 301900）

摘要：論述了國內、外移動泵站技術及產品的發(fā)展現狀，分析不同型式的移動泵站產品的特點及應用前景。

關鍵詞：移動泵站；國內外發(fā)展；應用前景

1　概述

據統計，我國現有各類固定泵站約50余萬座，分布在全國各地的城市、農村和江河流域，擔負著農業(yè)及城市灌溉排水、防洪排澇及工農業(yè)生產和城鄉(xiāng)居民生活供水任務。固定式泵站都是按規(guī)劃標準設計的,主要由進/出水池、泵房等水工建筑物、泵組、閘門及配電設施等組成，正常情況下基本能滿足功能需要,但如遇特大洪水或干旱情況,可能就會因水位過高、過低或動力設備失效而無法運行,尤其是近幾年極端氣候變化導致洪澇、干旱、城市內澇等災害頻率增高，重、特大災害逐年增多，災害使百姓生活、安全受到很大影響，國家財產受到很大損失，因此國內從90年代開始應運而生多種不同型式的可移動泵技術及產品，在防災、減災、應急搶險中發(fā)揮了積極作用。可移動泵站具有機動性、靈活性，對現有的以固定式泵站為主的灌排系統是一種有力的補充，其主要特點：①投資?。簾o需投資修建復雜的水工建筑物和泵房，可節(jié)省大筆基礎建設費用；②適用范圍廣：無需電源，只需靠自身攜帶動力源驅動水泵工作，流動性好，適用范圍廣；③機動性強：依靠車載工具或自行走，可快速部署就位，設備操作簡便，可快速安裝，并展開作業(yè)；④設備利用率高，便于專業(yè)化的作業(yè)和服務，將它與固定式泵站統籌協調運用，可有效地擴大灌排區(qū)域的受益范圍，能體現專業(yè)化服務的特點，可移動泵站可作為國家防洪抗旱的減災裝備，具有戰(zhàn)略意義和重要的發(fā)展前景。

由于在移動泵站方面還沒有國家和行業(yè)標準，本文把單臺流量在1 000m3/h以上的泵裝置或泵車列為移動泵站范疇。

2　國內外移動泵站技術和產品應用現況

2.1國內現況

國內，在20世紀70年代開始研發(fā)生產小型柴油機驅動自吸離心泵組，主要用于農業(yè)提水灌溉、噴灌，市政工程及工程施工中也經常使用一些小型移動潛污泵，但單臺流量、功率都很小，一般流量每小時幾十立方米，功率11 kW以下，雖移動方便，但功能很小，不能列為泵站的范疇。90年代以來，國內逐漸開發(fā)應用了單臺流量大于1 000m3/h的移動泵裝置，如多臺組合應用，可以達到小型泵站的功效。

2.1.1電機驅動的移動泵站

（1）自吸泵式移動泵站：泵站機組帶有柴油發(fā)電機，泵組為電機驅動自吸離心泵（可立式、臥式），整體集成在拖車或專用汽車上，水泵具有自吸功能，不需要灌水或真空泵，但使用場合條件受水泵吸程限制，如流量為1 000m3/h的自吸泵吸程一般4～5m，一般流量越大、轉速越高吸程越小，所以水泵流量一般在1 300m3/h以下（口徑300mm以下）。

（2）潛水泵式移動泵站：泵站（車）機組帶有柴油發(fā)電機，泵組為潛水電泵整體集成在拖車或專用汽車底盤上，底盤配有汽車吊車，使用時吊車將潛水泵吊入水中使用，這種情況受吊車載重及作業(yè)范圍的限制，同時安全防護措施及電纜絕緣要做好。一般在水泵流量小于1 000m3/h、功率小于45 kW時使用。

（3）組合式移動泵站：泵站機組為柴油發(fā)電機、隨機吊車、自吸泵、潛水電泵等組合到專用汽車底盤上，集上面兩種型式移動泵站特點，組合后單臺泵站流量已做到3 000m3/h。

2.1.2液壓馬達驅動水泵的移動泵站

（1）半掛車或拖車式移動泵站：液壓馬達作為驅動元件，其輸出軸連接水泵葉輪。利用柴油發(fā)動機帶動液壓油泵將低壓油轉變成高壓油，再通過液壓控制閥塊及液壓管路輸送至液壓馬達，從而驅動液壓馬達帶動水泵葉輪做功，泵站自身具有水泵的升降功能。柴油發(fā)動機、液壓站、泵組及油管等集成在拖車底盤上，用半掛車或牽引車拖至使用現場，目前單臺流量可以達到5 000m3/h。

（2）集裝分離式移動泵站：液壓馬達作為驅動元件，其輸出軸連接水泵葉輪做功。泵站分為動力單元和泵組單元兩大部分，動力單元由柴油發(fā)動機、液壓站、高壓油泵、控制閥塊及油箱等組成，泵組由水泵及液壓馬達組成，工作時動力單元與泵組可以30～50 m范圍內使用，目前單臺流量可以達到10 000m3/h。

（3）自行走式液壓驅動移動泵車：屬于專用車移動泵站，動力源自汽車發(fā)動機，液壓馬達輸出軸與水泵葉輪直聯驅動水泵，所有輔助機構采用全液壓控制，通過輔助裝置自動升降、旋轉、平移、伸縮等功能，可實現移動泵車任意位置作業(yè)排水，目前單臺流量已達到3 000m3/h。

（4）液壓驅動履帶式移動泵站：所有動力部分及液壓驅動泵組集成在履帶底盤上，可自帶柴油發(fā)動機，也可用其他動力液壓源。適用于沼澤、常規(guī)移動泵車無法進入地帶，目前流量已達3 000m3/h，可以做到10 000m3/h。如做成微型履帶車（類似機械手），可入涵洞、地下通道、地下室等處抽排水。

2.2國外代表性移動泵站產品

（1）柴油機通過變速箱直接帶動自吸離心泵，并輔助帶有真空泵，工作時水泵和真空泵同步運轉，可以快速達成防洪功能，目前單臺流量可以達1500m3/h，吸程一般在5m左右。整體機組用拖車移動。

（2）移動式凸輪轉子泵車：水泵為凸輪轉子泵，柴油發(fā)動機經齒輪減速箱直聯水泵，機組移動采用拖車式，凸輪轉子泵的最大特點是無需灌水抽真空而吸程高（可達9m）、可以汽固液混輸、轉速低而磨損小、體積小重量輕。目前單臺流量達1 350m3/h。

（3）美國MWI液壓驅動移動泵站：該公司的液壓移動泵站具有代表性，是在國際上開發(fā)應用最早的移動泵技術產品，主要由柴油機、水泵、液壓馬達、液壓油泵、管路、油箱、散熱器、控制、電路及承載車體等幾部分組成，根據功能具體可劃分為：承載、水泵與管路、液壓、監(jiān)控與保護、動力等5個子系統。從公開資料看，屬于拖車式移動，最大流量達9000m3/h。

3　不同型式的移動泵站特點分析

歸納起來，目前移動泵站的驅動方式分為柴油發(fā)電機-電機驅動（稱電機驅動）和汽車發(fā)動機、柴油發(fā)動機-液壓馬達驅動（稱液壓馬達驅動）兩種，移動方式為拖車、汽車吊車、半掛車、通用貨車、專用汽車五種。

（1）電機驅動移動泵站特點：水泵在車上固定，受吸程限制，潛水泵受功率和汽車吊容量限制，應用范圍受限于泵流量，最大不能超過1 500m3/h，且在額定吸程范圍內使用。

（2）液壓驅動移動泵站特點：動力單元部分與泵組單元是液壓軟管連接，動力靠液壓油傳遞，這樣兩部分可分離50～100m工作，泵組相當于潛水泵，只要發(fā)動機功率容許，水泵流量可以達10 000m3/h以上。

4　移動泵站的發(fā)展趨勢及應用前景

國內近幾年液壓移動泵站產品技術超過國外水平，電機驅動移動泵站技術含量不高，流量等參數及使用范圍有限，不易發(fā)展。而國外電機驅動凸輪轉子移動泵站高吸程、可汽固液混輸、適用范圍廣的特點突出，可作為今后國內電機驅動移動泵站的發(fā)展方向。作為移動泵站使用，液壓驅動水泵技術相對于電機驅動水泵有眾多優(yōu)越性，尤其集裝分離式液壓驅動泵站、自行走液壓驅動移動泵車和履帶式液壓驅動移動泵站是今后國內主要的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]關醒凡.現代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011.

[2]泵站設計與抽水裝置試驗[M].竇以松，何希杰，等，譯.北京：中國水利水電出版社，2007.

[3]機械設計手冊：第5卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[4]張志民，張力偉，唐利劍，等.移動式泵站系統裝置技術開發(fā)機應用[J].水電站機電技術，2008（6）：79-80.

Abstract: The pumped storage unit plays more and more important role in China power grid. The cavitation has great effect on hydraulic performance of pumped storage unit especially for the pump model operation. The characteristic and effect of cavitation are investigated by numerical simulation and experiment.

Key words: cavitation; cavitation mass transfer equation; Pump turbine

中圖分類號：TV675

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0082-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.023

收稿日期：2014-10-12

作者簡介：張志民（1962-），男，教授級高級工程師，從事流體機械及泵站工程研究工作。

Strength Analysis of Francis Turbine runner Based on Fluid Structure Interaction

KAN Kan1, ZHENG Yuan2,3, ZHAO Lian-hui4, QIAO Mu4, ZHANG Ce4, WEI Qing-lian4
(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient U tilization and Engineering Safety, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China; 4. Baishan Power Factory, Xinyuan(Holdings) Company Lim ited, State Grid, Jilin 132400,China)

Abstract:The runner strength of a large Francis turbine in northeast of China under three loading conditions w ith designed head is calculated by using the unidirectional fluid structure interaction method. The pressure on blade surface calculated by CFD software CFX is taken as the blade structure surface load, and then the runner strength is calculated by the ANSYS workbench. Finally, the static stress and deformation distribution of runner are obtained under different operating conditions. The results show that the maximum static stress increases w ith the increase of flow rate, and the maximum stress appears at the junction of runner crown and blade effluent side. The maximum deformation also increases w ith the increase of flow rate, and the maximum deformation appears on the runner band. The results can be referred by the researches who works on the structure design and safe operation of Francis turbine.

Key w ords:Francis turbine; Fluid structure interaction; static stress; strength analysis

Hyd raulic Research and Model Test of Pump Turbine w ith Splitter Blade at QingYuan pum ped storage Hydropower Station

DU Rong-xing1，CHEN Liang-nian1，TAKEO Tokum iya1，WANG Qing2，ENOMOTO Yasuyuki2
(1. Toshiba Hydro pow er (Hangzhou) Co., Ltd, Hangzhou 311504,China; 2. Toshiba Corporation, Japan)

Abstract: The characteristics of pump turbine with splitter blade runner based on TOSHIBA’s long term study are summarized. The hydraulic development and model test of pump turbine with splitter blade runner at Qingyuan pumped storage hydropower station are described. The main information of acceptance test in independence laboratory of Sw iss Federal Institute of Technology in Lausanne is provided.

Key words: Pump turbine; Splitter blade; CFD analysis; Model test; Acceptance test

Research on S shape characteristic of m ixed reversible pum p tu rbine

LI Jin-wei1, CHEN Liu1, YU Ji-xing1, HU Qing-juan2
(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. Baoquan Pum ped-storage Lim ited Com pany of Henan State Grid, X inxiang 453003, China)

Abstract: The pump turbine at Baoquan pumped storage hydropower station is selected to study the S-shaped characteristic for model test, field test and CFD simulation in the present paper. The sim ilarity between model and prototype units, influence of S-shaped characteristic on prototype unit operation and hydraulic mechanism of S-shaped characteristic are discussed.

Key w ords: pumped storage hydropow er station; model test; field test; CFD simulation; S-shaped characteristic

Cavitation characteristic research on pum ped storage unit

LIU De-m in, ZHAO Yong-zhi
(Dongfang electric machinery Co., LTD., Deyang 618000, China)