湯 泳，游孟陶

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

寧波市姚江流域洪澇災(zāi)害相對頻繁，流域防洪排澇工程體系亟待完善。姚江二通道（慈江）工程利用慈江分洪部分姚江干流洪水，經(jīng)江北、鎮(zhèn)海河道直排入海，擴(kuò)大姚江干流的東排能力，同時完善提升江北、鎮(zhèn)海平原的防洪排澇能力。

化子閘泵站工程為姚江二通道（慈江）工程三級接力泵站的中間一級，擬建于慈江干流現(xiàn)狀化子閘處。泵站規(guī)劃設(shè)計排澇流量為150 m3/s，與現(xiàn)有化子閘進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，肩負(fù)著區(qū)域防洪排澇的重要任務(wù)，工程安全極其重要。泵站的設(shè)計凈揚(yáng)程僅0.32 m，低于常規(guī)的特低揚(yáng)程泵站，最大凈揚(yáng)程為1.22 m，接近設(shè)計凈揚(yáng)程的4倍。揚(yáng)程低、變幅大，給水泵選型帶來一定的困難。水泵選型應(yīng)以安全可靠為目標(biāo)，滿足在揚(yáng)程范圍內(nèi)裝置效率高、空化性能良好等要求，水泵選型的合理性直接關(guān)系到泵站工程的投資、建成后的運(yùn)行和維護(hù)成本[1-2]。

1 泵型選擇

化子閘泵站屬特低揚(yáng)程、大流量泵站，立式泵和斜軸泵難以在特低揚(yáng)程下獲得較高效率，因此宜采用裝置效率較高、開挖深度淺且便于維護(hù)的臥式泵裝置。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，目前應(yīng)用廣泛的泵型有燈泡貫流泵、豎井貫流泵和平面S形軸伸泵[3-4]。

燈泡貫流泵將電動機(jī)和齒輪箱安裝在進(jìn)水側(cè)（前置）或出水側(cè)（后置）的一個燈泡形金屬殼體中，結(jié)構(gòu)緊湊、裝置效率高，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，技術(shù)要求也較高；國內(nèi)燈泡貫流泵裝置技術(shù)還不成熟，需引進(jìn)國外的技術(shù)和設(shè)備，造價很高。豎井貫流泵將電動機(jī)、齒輪箱布置于流線型豎井中，水流從豎井兩側(cè)引入水泵，水流方向直進(jìn)直出，與泵軸方向一致；該泵型具有水力性能良好、結(jié)構(gòu)簡單、泵站開挖深度較小、機(jī)組造價低、運(yùn)行安全可靠、管理和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。平面S形軸伸泵將進(jìn)、出水流道平面彎曲后主軸伸出流道外，電動機(jī)布置在流道外地面，設(shè)備安裝維護(hù)方便；但對于大流量泵站，平面S形軸伸泵的機(jī)組間距比較大、土建費(fèi)用高，另外由于S形流道有兩個轉(zhuǎn)彎，對水力損失、泵裝置效率有一定的影響，水力條件不如貫流泵[5-7]。

因此從泵房結(jié)構(gòu)布置、工程投資、水泵裝置效率、管理維護(hù)方便性等方面綜合比較，選用豎井貫流泵較適合本文工程。

2 機(jī)組臺數(shù)比選

根據(jù)泵站工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組臺數(shù)少、泵站占地面積小，土建投資一般較省，且安裝維修工作量少；其缺點(diǎn)是運(yùn)行調(diào)度不靈活，當(dāng)某臺機(jī)組發(fā)生故障時對總排水量影響較大。機(jī)組臺數(shù)多，則優(yōu)缺點(diǎn)與上述恰好相反。主泵臺數(shù)應(yīng)根據(jù)工程具體情況進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，并結(jié)合水泵生產(chǎn)能力確定。本文工程選擇3臺、4臺和5臺機(jī)三個方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，機(jī)組參數(shù)和主要土建尺寸見表1。

表1 不同機(jī)組臺數(shù)方案比較表

由表1可以看出，4臺機(jī)方案具有以下優(yōu)勢：

（1）運(yùn)行調(diào)度靈活。雖然3臺泵方案綜合費(fèi)用較少，但化子閘泵站為姚江東排梯級提升泵站的中間一級，排澇流量調(diào)節(jié)要求較高，采用4臺豎井貫流泵方案，運(yùn)行調(diào)度較為靈活，減少對上下級泵站聯(lián)合運(yùn)行的影響。

（2）工程投資較省。本文工程原址為農(nóng)田，泵站工程范圍均需開挖，故泵站寬度不宜太大，相較5臺機(jī)方案，4臺機(jī)泵房土建工程量較小，較為經(jīng)濟(jì)。

經(jīng)綜合比較分析，本文工程采用4臺豎井貫流泵方案。

3 水力模型選擇及性能參數(shù)

近年來豎井貫流泵在低揚(yáng)程大流量泵站中得到廣泛應(yīng)用，不少泵站工程還進(jìn)行了水泵裝置模型試驗(yàn)。對于類似的大型泵站工程建設(shè)，可直接采用已有模型泵裝置性能曲線進(jìn)行水力性能的分析與比較，并借助水泵相似律，計算水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速。較以往采用泵段模型曲線進(jìn)行水泵選型，更能準(zhǔn)確預(yù)測原型泵的性能，確定更合適的技術(shù)參數(shù)。

在水利部天津同臺測試的水泵模型試驗(yàn)成果中，選擇接近本文工程揚(yáng)程段的TJ04-ZL-07號水力模型，根據(jù)進(jìn)、出水流道優(yōu)化設(shè)計成果，在河海大學(xué)試驗(yàn)臺進(jìn)行了泵裝置模型試驗(yàn)，對泵裝置性能進(jìn)行了預(yù)測，最終確定原型泵葉輪直徑為3 900 mm，轉(zhuǎn)速為60 r/min。

泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果表明：在全揚(yáng)程范圍內(nèi)水泵可穩(wěn)定運(yùn)行；模型最高裝置效率為76.35%，對應(yīng)的葉片安放角為+2°，對應(yīng)的揚(yáng)程為1.20 m，對應(yīng)原型流量為34.51 m3/s；安裝角為+2°，最低揚(yáng)程（0.5 m）、設(shè)計揚(yáng)程（0.72 m）和最高揚(yáng)程（1.52 m） 的裝置效率分別為61.55%、70.76%、73.44%；水泵模型裝置最小汽蝕余量發(fā)生在葉片安放角為-4°時，臨界汽蝕余量為3.01 m，對應(yīng)揚(yáng)程為0.8 m。換算后的原型泵裝置性能曲線如圖1所示。

圖1 化子閘泵站原型泵裝置性能曲線

4 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)軸承是大型水泵的關(guān)鍵部件，起著承受水泵轉(zhuǎn)動部件徑向力、穩(wěn)定葉輪轉(zhuǎn)動的作用，對臥式泵機(jī)組、導(dǎo)軸承還要承受轉(zhuǎn)動部件的自重。如果導(dǎo)軸承磨損過大或損壞，則會造成機(jī)組軸線動擺度增大、振動加劇，甚至發(fā)生葉片碰殼事故?；娱l泵站葉輪直徑3 900 mm，轉(zhuǎn)速只有60 r/min，是目前國內(nèi)最大直徑和最低轉(zhuǎn)速的豎井貫流泵，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵和薄弱點(diǎn)是水導(dǎo)軸承，要求在特低轉(zhuǎn)速下能夠形成油膜[8-9]。

水導(dǎo)軸承安裝在導(dǎo)葉體轂內(nèi)，作為泵軸的主要徑向支承，采用巴氏合金材料制作，具有耐磨性好、性能穩(wěn)定、使用壽命長的特點(diǎn)。采用球面微動支座，以增加其自動調(diào)心功能，使軸瓦受力均衡。軸瓦與軸承座為分體式結(jié)構(gòu)，便于更換軸瓦。導(dǎo)軸承及其支座具有足夠強(qiáng)度和剛度，以承受最大徑向荷載，避免有害振動。導(dǎo)軸承采用稀油潤滑，并設(shè)油封裝置、溫度監(jiān)測裝置。軸承穿軸端采用三道骨架密封圈加一道防沙圈密封，以防止水進(jìn)入軸承內(nèi)而產(chǎn)生燒瓦現(xiàn)象，防止油漏出而污染水源。

導(dǎo)軸承的直徑為470 mm，采用計算軟件進(jìn)行分析計算。計算結(jié)果表明：軸承進(jìn)油溫度40°時，在額定轉(zhuǎn)速60 r/min情況下運(yùn)行，軸承平均溫度44.2℃≤80℃，軸承能夠安全運(yùn)行，軸承最小油膜厚度0.082 86 mm≥0.009 mm，能滿足使用要求；在最大轉(zhuǎn)速120 r/min情況下運(yùn)行，軸承最小油膜厚度0.120 3 mm≥0.009 mm，能滿足使用要求，軸承比壓0.515 MPa≤1.5 MPa，滿足軸承安全運(yùn)行條件；可滿足安全運(yùn)行的最小油膜厚度約為0.009 mm，是在轉(zhuǎn)速為11 r/min時。水導(dǎo)軸承油膜壓力分布圖和最小油膜厚度曲線如圖2、圖3所示。

圖2 水導(dǎo)軸承油膜壓力分布圖

圖3 水導(dǎo)軸承最小油膜厚度曲線

5 結(jié)語

（1）化子閘泵站設(shè)計凈揚(yáng)程僅為0.32 m，屬特低揚(yáng)程泵站，根據(jù)多方案比較和分析，選擇了豎井貫流泵裝置，具有水力性能良好、結(jié)構(gòu)簡單、投資省、運(yùn)行維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

（2）通過泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證，化子閘泵站采用TJ04-ZL-07號水力模型，可獲得較高的裝置效率；選擇了4臺葉輪直徑3 900 mm、轉(zhuǎn)速60 r/min的豎井貫流泵方案，運(yùn)行調(diào)度靈活，工程投資較為節(jié)省。

（3）計算表明，采用巴氏合金油潤滑水導(dǎo)軸承，在額定轉(zhuǎn)速下油膜厚度為0.082 86 mm，能夠滿足大口徑、特低轉(zhuǎn)速泵站安全運(yùn)行條件。