葛恒軍， 袁海霞， 丁 平， 蔣東進(jìn)， 楊 帆

(1.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225007；2.揚(yáng)州市水利工程建設(shè)中心， 江蘇 揚(yáng)州 225001； 3.揚(yáng)州大學(xué)， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

貫流泵以電機(jī)與齒輪箱的安裝布置位置不同主要被劃分為豎井式、軸伸式與潛水式，屬于低揚(yáng)程臥式軸流泵，其進(jìn)出水流道位于一條直線上，且結(jié)構(gòu)緊湊，水力損失少，效率高，常應(yīng)用于低洼地區(qū)的排澇及灌溉[1]。隨著城市建設(shè)的愈發(fā)完善，城市供水與防洪排澇的要求對(duì)泵站的建設(shè)提出了更高的要求，在此社會(huì)背景下，對(duì)低揚(yáng)程泵站的研究顯得尤為重要。潛水貫流泵裝置利用潛水電泵的技術(shù)，其水泵轉(zhuǎn)輪、后導(dǎo)葉、齒輪箱、電機(jī)連為一體布置在流道中，相較于其他泵型，其具有水力性能好、效率高、流道水力損失小及土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此在沿江濱湖地區(qū)的低揚(yáng)程泵站中得到了較好的應(yīng)用，如廣東佛山的沙頭電排站、上海北橫涇泵站等工程。近年來國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)潛水貫流泵裝置展開了不少的研究，如方桂林等[3]針對(duì)灌北、善南泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程特低的特點(diǎn)，選用了潛水貫流泵裝置，針對(duì)該泵裝置，從水力性能、土建結(jié)構(gòu)、效率等方面進(jìn)行了綜合分析，并在工程應(yīng)用當(dāng)中取得了理想的效果；楊帆等[4]分析了燈泡體段對(duì)雙向潛水貫流泵裝置正反向運(yùn)行的影響；嚴(yán)繼松等[5]研究了雙向潛水貫流泵裝置的能量與振動(dòng)特性；付強(qiáng)等[6]采用RNGk-ω湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)無導(dǎo)葉、直導(dǎo)葉、彎導(dǎo)葉潛水式貫流泵進(jìn)行了非定常數(shù)值計(jì)算，分析了不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分布規(guī)律；趙政等[7]分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有雙向功能泵組及泵站的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，同時(shí)針對(duì)上海市木瀆港泵閘工程的設(shè)計(jì)，提出了大型雙向潛水泵泵組選擇的原則及應(yīng)用趨勢(shì)。由上述可知，本領(lǐng)域的學(xué)者與相關(guān)的工程技術(shù)人員針對(duì)潛水貫流泵裝置取得的研究成果與工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外眾多低揚(yáng)程泵站中均得到了成功的應(yīng)用，同時(shí)在應(yīng)用潛水貫流泵裝置的泵站運(yùn)行管理方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

本文以揚(yáng)州閘泵站為研究對(duì)象，探討該泵站泵裝置的結(jié)構(gòu)選型，在滿足抽排、抽引雙向抽水的工程需求的基礎(chǔ)上，對(duì)單向潛水貫流泵裝置的電機(jī)前后置進(jìn)行方案比選。

1 工程概況

古運(yùn)河北有揚(yáng)州閘與淮河連接，南邊有瓜洲閘與長(zhǎng)江相連通，主要依靠水位差自流排澇，是整個(gè)揚(yáng)州市主城區(qū)外圍防洪圈的主要排澇河道。揚(yáng)州城區(qū)現(xiàn)有泵站67座，設(shè)計(jì)總抽排流量82.59 m3/s，城區(qū)排水入古運(yùn)河能力基本上達(dá)到了10年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，但汛期時(shí)長(zhǎng)江及淮河的水位增高將導(dǎo)致古運(yùn)河自排受阻，嚴(yán)重威脅揚(yáng)州市整個(gè)主城區(qū)的防洪排澇安全。建設(shè)古運(yùn)河外排泵站是解決汛期主城區(qū)澇水外排的關(guān)鍵工程。

揚(yáng)州閘泵站位于原揚(yáng)州閘北側(cè)節(jié)制閘位置處。原揚(yáng)州閘未建泵站，主要依靠揚(yáng)州北高南低的地形優(yōu)勢(shì)將澇水排入古運(yùn)河后才能入江、入淮。在干旱及洪澇時(shí)期，水位的變化將導(dǎo)致古運(yùn)河水位無法實(shí)現(xiàn)自引自流。所以新建揚(yáng)州閘泵站進(jìn)行排澇與引水顯得尤為重要，揚(yáng)州閘泵站是主城區(qū)治理方案中關(guān)系全局的關(guān)鍵性工程，同時(shí)也是揚(yáng)州市城市防洪建設(shè)的重中之重。經(jīng)過進(jìn)一步的論證，揚(yáng)州閘泵站的抽排設(shè)計(jì)流量為72 m3/s，抽引設(shè)計(jì)流量為29 m3/s，屬于大(Ⅱ)型特低揚(yáng)程泵站，泵站特征揚(yáng)程如表1所示。

表1 泵站特征揚(yáng)程 單位：m

揚(yáng)州閘泵站的主要任務(wù)是排除揚(yáng)州市城區(qū)及周圍區(qū)域的澇水及匯水，控制古運(yùn)河水位，提高城市防洪能力的重要民生工程。揚(yáng)州閘泵站泵裝置的選型需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及運(yùn)行管理等方面進(jìn)行綜合考慮，機(jī)組在滿足經(jīng)濟(jì)合理的同時(shí)需要保證高效率，且高效范圍寬；機(jī)組的運(yùn)行要安全可靠，在國(guó)內(nèi)外成功運(yùn)用并且取得了很好的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)；汛期來水大，需要機(jī)組調(diào)節(jié)靈活、操作方便，以應(yīng)對(duì)流量需求的變化；汽蝕性能好，減少機(jī)組在使用期間的檢修次數(shù)。

2 泵裝置結(jié)構(gòu)比選

揚(yáng)州閘泵站具有運(yùn)行揚(yáng)程低、流量大、雙向抽水及年運(yùn)行時(shí)間短等特點(diǎn)。揚(yáng)州閘泵站以抽排為主，結(jié)合抽引，設(shè)計(jì)抽排流量72 m3/s，抽引流量為29 m3/s，抽排與抽引流量相差較大。本工程泵站抽排設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為2.44 m，抽引的設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程僅為0.65 m，屬于特低揚(yáng)程泵站[2]，宜采用裝置效率相對(duì)較高且開挖深度小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于管理的單雙向組合臥式裝置機(jī)組型式的貫流泵，雙向貫流泵使用時(shí)只要改變電機(jī)旋向，就可以實(shí)現(xiàn)雙向抽水，而無需把電泵拆卸掉頭。具有雙向功能的貫流泵裝置主要有燈泡式貫流泵裝置、豎井式貫流泵裝置、平面S形貫流泵裝置以及潛水貫流泵裝置4種裝置形式，此4種貫流泵裝置在實(shí)際工程中均得到了較好的應(yīng)用[2]，根據(jù)揚(yáng)州閘泵站的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的地形條件及以往類似的工程經(jīng)驗(yàn)，基于4種泵裝置的優(yōu)缺點(diǎn)及各自的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合比選。

(1)方案1：燈泡貫流泵裝置。該泵裝置中的水流方向基本上軸向通過流道，并軸對(duì)稱流過水泵的葉片，最符合水泵葉輪設(shè)計(jì)的基本假設(shè)條件，理論上這種結(jié)構(gòu)型式水力性能較佳，流道效率高，其裝置水力性能優(yōu)于立式機(jī)組，能降低泵站運(yùn)行成本。但是，在低揚(yáng)程或極低揚(yáng)程情況下，燈泡貫流式泵裝置要獲得的中高揚(yáng)程立式水泵裝置的效率，在目前的技術(shù)水平下仍難以實(shí)現(xiàn)。另外，由于燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出水流道較短，對(duì)出水流道和后導(dǎo)葉體等水力元件較高的泵站，安裝維修不便。

(2)方案 2：豎井貫流泵裝置。豎井貫流式機(jī)組與燈泡貫流式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。由于豎井開敞，通風(fēng)和防潮條件良好，運(yùn)行和維護(hù)也較方便。水流從豎井的兩側(cè)引入水泵(前置)或排向出水側(cè)(后置)，水力性能介于燈泡貫流式和軸伸貫流式之間。豎井本身尺寸笨重、剛度大，受力及變形分析比較簡(jiǎn)單，傳力路徑明確，不像燈泡貫流式機(jī)組那樣需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的模擬分析和模型試驗(yàn)。該泵裝置造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠且適用范圍廣，但效率一般，土建投資較大。

(3)方案3：軸伸貫流泵裝置。軸伸貫流式機(jī)組型式多種多樣，主水泵機(jī)組的主要部件經(jīng)常處于水面以上，對(duì)密封的要求比較低，檢查、維修和保養(yǎng)方便，拆卸時(shí)不必像立式泵那樣需要拆除電動(dòng)機(jī)。單位面積上的荷載小，尤其適合于軟土地基。起重機(jī)的起吊荷載小，提升高度小，泵房結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)上避免了燈泡貫流泵的一些缺點(diǎn)，易于運(yùn)行管理和維護(hù)。但是由于其進(jìn)出水流道沒有燈泡貫流泵順直，有彎管存在，從而增加了流道的水力損失，裝置效率稍遜于燈泡貫流泵。

(4)方案4：潛水貫流泵裝置。潛水貫流泵式機(jī)組的水泵轉(zhuǎn)輪、后導(dǎo)葉、齒輪箱、電機(jī)連為一體直接布置在流道中，機(jī)組段采用全金屬殼體，整體吊裝，安裝方便。電機(jī)、齒輪箱在水中，設(shè)備外殼利用流動(dòng)的水流冷卻，潛水電機(jī)設(shè)有滲漏、過載、過流、溫度等檢測(cè)、保護(hù)裝置。潛水貫流式機(jī)組利用了潛水電泵的技術(shù)，保持了燈泡貫流泵水力性能好、效率高的特點(diǎn)，具有土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、流道水力損失小等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備可靠性要求高，密封止水要求高。

燈泡式貫流泵結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)密封性要求較高，維修不方便，后期的運(yùn)行維護(hù)成本高。若采用豎井貫流泵方案，由于豎井的空間狹小，電機(jī)和齒輪箱等被布置在狹小的豎井里面，會(huì)給安裝以及后期的檢修帶來很大的不便。軸伸貫流式包括平面軸伸貫流式和立面軸伸貫流式2種型式，分別采用平面S形流道和立面S形流道，電動(dòng)機(jī)和齒輪箱布置在流道外側(cè)，水泵軸伸出流道外與電機(jī)、齒輪箱連接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通風(fēng)防潮條件良好，運(yùn)行維護(hù)方便，密封止水要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但軸伸貫流式機(jī)組直徑不宜過大，否則會(huì)造成機(jī)組主軸太長(zhǎng)，而且中間沒有任何支承，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。潛水貫流式泵站結(jié)構(gòu)緊湊，能降低土建的成本，并且現(xiàn)場(chǎng)安裝方便快速，產(chǎn)生的噪聲低，泵站內(nèi)無高溫，具有極高的可靠性，雖然潛水泵的檢修需要返廠處理，但是由于揚(yáng)州閘泵站的年運(yùn)行時(shí)間短，有充足的時(shí)間進(jìn)行返廠檢修，故不影響揚(yáng)州閘泵站的運(yùn)行管理，因此推薦采用潛水貫流泵方案。

3 電機(jī)前后置方案的數(shù)值比選

揚(yáng)州閘泵站共4臺(tái)機(jī)組，其中2臺(tái)采用單向潛水貫流泵裝置，2臺(tái)采用雙向潛水貫流泵裝置，電機(jī)的安置位置對(duì)單向潛水貫流泵裝置水力性能的影響較為明顯[8]，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)揚(yáng)州閘泵站初設(shè)單向潛水貫流泵裝置的電機(jī)前后置進(jìn)行方案比選。

3.1 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域

圖1為電機(jī)前置的單向潛水貫流泵裝置單線圖，圖2為電機(jī)后置的單向潛水貫流泵裝置單線圖。電機(jī)前后置潛水貫流泵裝置的三維湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、電機(jī)段、出水流道等 5個(gè)部分組成。基于模型泵裝置進(jìn)行CFD計(jì)算，采用PTC Creo和ANSYS ICEM軟件對(duì)進(jìn)水流道和出水流道進(jìn)行實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分，通過角度值和雅克比行列式對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，雅克比行列式值均大于0.4，滿足。采用ANSYS Turbogrid軟件對(duì)葉輪和導(dǎo)葉體建模與網(wǎng)格剖分，葉輪網(wǎng)格正交性角度在21°～161°之間，導(dǎo)葉網(wǎng)格正交性角度在37°～158°之間，滿足文獻(xiàn)[10]對(duì)網(wǎng)格的正交性角度要在15°～165°之間的要求。

圖1 單向潛水貫流泵裝置單線圖(電機(jī)前置)

圖2 單向潛水貫流泵裝置單線圖(電機(jī)后置)

3.2 控制方程及邊界條件

泵裝置內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為水，可簡(jiǎn)化為不可壓縮的牛頓液體，采用的控制方程為雷諾平均N-S方程(RANS)，紊流模型采用SSTk-ω紊流模型。

為了更好地模擬泵裝置內(nèi)部流動(dòng)，在進(jìn)水流道前加一段延伸段，進(jìn)口設(shè)置在延伸段的進(jìn)口斷面，采用總壓進(jìn)口條件，總壓設(shè)置為1 atm。同樣地，在出水流道后也增加一段延伸段，將計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在出水流道后的延伸段的出口斷面，出口斷面采用質(zhì)量流量出流。紊流模型不適用于壁面邊界層內(nèi)的流動(dòng)，所以對(duì)壁面需進(jìn)行處理才能保證模擬的精度。泵裝置的進(jìn)、出水流道、葉輪外殼及導(dǎo)葉體均設(shè)置為靜止壁面，應(yīng)用無滑移條件，近壁區(qū)采用可伸縮壁面函數(shù)。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖3和圖4分別為電機(jī)前置的單向潛水貫流泵裝置三維流線圖及內(nèi)部斷面速度分布圖，電機(jī)前置的潛水貫流泵裝置的進(jìn)水流道內(nèi)部流線平順，水流貼合壁面，入流狀態(tài)較好，而出水流道內(nèi)部出現(xiàn)了脫流區(qū)域，水流呈螺旋狀，在出水流道內(nèi)部斷面也存在相應(yīng)的低速區(qū)。采用文獻(xiàn)[10]中泵裝置能量性能的預(yù)測(cè)方法，電機(jī)前置的單向潛水貫流泵揚(yáng)程為2.65 m，泵裝置效率為74.49%。

圖3 潛水貫流泵裝置內(nèi)部流線圖(電機(jī)前置)

圖4 潛水貫流泵裝置內(nèi)部速度云圖 (電機(jī)前置)

圖5和圖6分別為電機(jī)后置的單向潛水貫流泵裝置三維流線圖及內(nèi)部斷面速度分布圖，電機(jī)后置時(shí)，進(jìn)出水流道內(nèi)部的流場(chǎng)較電機(jī)前置時(shí)得到了明顯的改善，流道內(nèi)部的脫流區(qū)域明顯減少。電機(jī)后置的單向潛水貫流泵在揚(yáng)程2.69 m時(shí)，泵裝置效率為76.9%。綜上對(duì)比分析，電機(jī)后置的單向潛水貫流泵裝置性能明顯優(yōu)于電機(jī)前置方案，揚(yáng)州閘泵站單向潛水貫流泵裝置選擇電機(jī)后置方案，并基于此后期將開展?jié)撍灹鞅醚b置結(jié)構(gòu)的水力優(yōu)化，以期進(jìn)一步提升泵裝置的效率。

圖5 潛水貫流泵裝置內(nèi)部流線圖(電機(jī)后置)

圖6 潛水貫流泵裝置內(nèi)部速度云圖(電機(jī)后置)

4 結(jié) 論

(1)揚(yáng)州閘泵站屬于大(Ⅱ)型特低揚(yáng)程泵站，針對(duì)其揚(yáng)程低、雙向運(yùn)行的特點(diǎn)，在滿足泵站抽排、抽引的條件下，對(duì)比分析了4種貫流泵裝置，最終確定采用潛水貫流泵裝置結(jié)構(gòu)形式，其中2臺(tái)采用單向潛水貫流泵裝置，2臺(tái)采用雙向潛水貫流泵裝置。

(2)采用數(shù)值模擬方法分析了電機(jī)前后置對(duì)單向潛水貫流泵裝置水力性能的影響，電機(jī)后置的潛水貫流泵裝置性能明顯優(yōu)于電機(jī)前置方案。電機(jī)后置的單向潛水貫流泵裝置內(nèi)部的流態(tài)較好，比選結(jié)果可為同類型的泵站設(shè)計(jì)提供思路，后期將開展揚(yáng)州閘泵站裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作，以期進(jìn)一步提升揚(yáng)州閘泵站的泵裝置效率。