沈春林，徐士坤

（1.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇南通 226300；2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚(yáng)州 225200）

0 引言

特低揚(yáng)程排澇泵站是專門為排澇工程提供一定壓力和流量的液壓動(dòng)力和氣壓動(dòng)力裝置的泵站工程。目前我國低揚(yáng)程排澇泵站的建設(shè)規(guī)模在全球處于領(lǐng)先地位，特低揚(yáng)程排澇泵站是其中的一種類型，為不同區(qū)域的調(diào)水、引水工作作出了重要貢獻(xiàn)，是國家社會(huì)安定、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要因素之一。立式泵是離心泵的一種，能夠通過離心原理輸送液體，將其用于特低揚(yáng)程排澇泵站中，能夠提供水資源調(diào)配、水環(huán)境改善、城市防洪排澇等相關(guān)工作效率。目前，國內(nèi)正在積極新建一大批用于防洪排澇的低揚(yáng)程泵站，立式泵裝置作為其中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)泵站工作至關(guān)重要，加強(qiáng)相關(guān)方面的研究，對(duì)特低揚(yáng)程排澇泵站的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

1 特低揚(yáng)程排澇泵站泵裝置型式

1.1 立式泵裝置

立式泵裝置如圖1 所示，該裝置在國內(nèi)運(yùn)用最早，技術(shù)最為成熟，主要運(yùn)用于灌溉排水工程中，能夠?yàn)楣こ坦?jié)約資金，它的電機(jī)能在良好的環(huán)境下工作，安裝和維修省時(shí)省力，運(yùn)行效率較高。該裝置的水泵泵軸中心和水平線垂直，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中不會(huì)承載更多重量，誤差和偏差均比較小，當(dāng)泵中有水流流出，水流需要偏轉(zhuǎn)90°，這個(gè)角度不宜過大，否則會(huì)產(chǎn)生脫流等問題，影響其工作效率。

圖1 立式泵裝置

1.2 貫流泵裝置

主要分為豎井貫流泵、燈泡貫流泵兩種，相對(duì)于豎井貫流泵而言，燈泡貫流泵的水力損失是最小的，運(yùn)行效率很高，但是對(duì)于泵機(jī)的密封性有一定要求，在工作的時(shí)候燈泡體會(huì)完全浸入水中，是由燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)化而來，各部位機(jī)件緊湊，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安裝比立式泵更加費(fèi)力費(fèi)時(shí)。

1.3 臥式軸伸泵裝置

該種裝置管理較為方便，整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，造價(jià)便宜，并且水泵工作效率得到行業(yè)認(rèn)可。主要特點(diǎn)是泵軸呈水平狀態(tài)，檢修難度相對(duì)較高，在水流進(jìn)入泵機(jī)的時(shí)候難免發(fā)生彎曲的情況，水力性能不如筆直流道的泵機(jī)好。

1.4 斜式軸伸泵裝置

該種裝置的泵軸會(huì)根據(jù)一定的角度傾斜安裝并且和電機(jī)連接，傾斜角度主要有45°、30°、15°，也有部分斜角為20°的。斜式延伸泵工作時(shí)傾斜角度越大，流道彎曲越大，導(dǎo)致其內(nèi)部水流情況變差，造成大量的水力損失。這種泵機(jī)布局緊密，需要通風(fēng)性良好，整個(gè)水泵屬于泵殼中開的結(jié)構(gòu)，安裝比較方便，泵軸傾斜會(huì)使其承受一定重力，導(dǎo)致下軸承經(jīng)常磨損，難免會(huì)發(fā)生故障，該種泵機(jī)安裝有一定難度，并且有一定的水道偏流問題[1]。

2 立式泵裝置在特低揚(yáng)程排澇泵站中的應(yīng)用

2.1 立式泵裝置優(yōu)缺點(diǎn)

立式泵作為國內(nèi)運(yùn)用最早的裝置形式，目前在國內(nèi)運(yùn)用較為廣泛，經(jīng)過實(shí)踐證明該裝置形式運(yùn)行效果良好并且安裝簡單。脊柱的傳動(dòng)方式也相對(duì)直接，泵機(jī)組長度不長，基礎(chǔ)共用，可以防止基礎(chǔ)沉降不均勻的問題。泵機(jī)的安裝為自下而上，先組裝水泵看是否合理，然后再考慮電機(jī)的連接。機(jī)組一般安裝于水位最高的地方，這種泵具有一定防潮性能，并且一旦出現(xiàn)故障，檢修也較為方便。泵機(jī)的泵軸和電機(jī)軸之間由聯(lián)軸器相銜接，三個(gè)裝置呈豎向，支撐部件的中心線垂直，水泵導(dǎo)承軸不能承受太大的壓力，承軸磨損較小，電機(jī)內(nèi)部的摩擦也相對(duì)穩(wěn)定，故障出現(xiàn)的概率較小。在泵機(jī)運(yùn)行過程中，水泵軸和電機(jī)軸相互協(xié)作運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)比較小，因此有良好的防噪性能。在水池水位較低時(shí)，由于其進(jìn)水道是肘形的，具有足夠的高度和窄小的寬度，提升了其水力性能。在機(jī)泵運(yùn)行過程中，這種肘形的水道還有助于隨時(shí)斷流，不會(huì)產(chǎn)生任何不安全影響，在水位較低時(shí)也能很好地使用。在一些大型的水利工程中，這類泵機(jī)受到行業(yè)的一致認(rèn)可。本文研究的立式泵裝置即采用肘形進(jìn)水流道與虹吸式出水流道，具有操作簡單、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性能優(yōu)良，使用壽命長。立式泵的缺點(diǎn)則是機(jī)組安裝面積相對(duì)較小，因此負(fù)荷相對(duì)集中，對(duì)泵房的穩(wěn)定性有一定要求，對(duì)地質(zhì)條件也有一定影響。

2.2 合理性分析

機(jī)電設(shè)備是泵站重要的組成部分之一，關(guān)系到水電工程的安全。立式泵裝置在出廠時(shí)一般是零部件，需要將零部件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場組裝，這些零件極為復(fù)雜，對(duì)安裝細(xì)節(jié)要求很高，因此在安裝過程中需要技術(shù)熟練并有耐心，否則容易導(dǎo)致使用時(shí)發(fā)生各種故障，影響泵機(jī)的使用壽命。安全問題一直都是泵站運(yùn)行管理的核心問題，在泵機(jī)運(yùn)行管理中需要遵循養(yǎng)護(hù)維修、控制運(yùn)行、觀測檢查三大原則。并且在觀測檢查過程中需要定期展開檢查，一般是每60 d 進(jìn)行一次，在日常使用中也要注重養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格按規(guī)范操作使用，并且全面落實(shí)機(jī)電養(yǎng)護(hù)工作，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。目前立式泵的安裝工藝已經(jīng)十分成熟，且泵的自動(dòng)化程度比較高，日常檢修工作比較簡單，容易操作。立式泵用于特低揚(yáng)程排澇泵站，能夠節(jié)約大量檢修資金，該裝置的虹吸式出水流道配備真空破壞閥斷流設(shè)施，比其他設(shè)施更加節(jié)約資金，能滿足特低揚(yáng)程排澇泵站所需要，因此立式泵裝置在特低揚(yáng)程排澇泵站中的應(yīng)用是合理的。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 泵站的基本參數(shù)

某泵站屬于大型排澇泵站，一年運(yùn)行時(shí)間約2 個(gè)月，因此運(yùn)行時(shí)間不長，共配置立式泵8 臺(tái)，總流量180 m3/s，排澇能力極強(qiáng)，當(dāng)水位較高時(shí)，能滿足區(qū)域排水安全需求，該泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 某泵站設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 泵站進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)

結(jié)合給定的控制尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出肘形進(jìn)水道方案1，并結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整流道斷面和線形的變化規(guī)律，如圖2 所示[2]。在對(duì)方案1 實(shí)施過程中要進(jìn)行相關(guān)模擬計(jì)算，得出結(jié)果為：流道出口斷面流速分布均勻度為98.01%、水流入泵平均角度為86°，流道水頭損失0.104 m。

圖2 方案1

為了讓泵段進(jìn)口有更好的水力條件及方便施工安裝，在方案1 的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)，方案2 將流道出口座環(huán)的錐角降低一定度數(shù)，并增加椎角的高度，并適當(dāng)調(diào)整對(duì)流道肘彎段形線（圖3）。通過對(duì)方案2 的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果為：水流入泵平均角度為87.2°，流道水頭損失0.089 m。

圖3 方案2

3.3 泵站出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)

虹吸式出水流道方案嚴(yán)格執(zhí)行招標(biāo)階段設(shè)定的方案，尺寸均按照以上方案執(zhí)行設(shè)計(jì)。結(jié)合甲方要求，根據(jù)對(duì)方提供的水泵頂蓋安裝尺寸，對(duì)流道線形及流道斷面由圓形漸變?yōu)榫匦蔚囊?guī)律進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并結(jié)合相應(yīng)公式計(jì)算設(shè)計(jì)流量，計(jì)算出流道水頭損失為0.399 m。根據(jù)計(jì)算可知，出水流道內(nèi)的水流會(huì)受到慣性以及泵站水流橫向流速的基礎(chǔ)上不斷上升，方向?yàn)轫槙r(shí)針且是螺紋狀不斷旋轉(zhuǎn)上升，在水流上升的過程中，斷面面積增大則水流擴(kuò)散，流速分布也是由內(nèi)而外，整個(gè)過程平穩(wěn)順暢，沒有出現(xiàn)不良狀態(tài)。到達(dá)駝峰時(shí)，能夠保持良好的流速和狀態(tài)，隨著水流不斷向下，會(huì)出現(xiàn)向左偏流或者向右偏流的情況，流道兩側(cè)的流場不對(duì)稱趨勢愈加明顯，整體表現(xiàn)的流速略低。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要滿足水泵頂蓋安裝要求，另一方面要降低水流道的水頭損失，需要在以上方案的基礎(chǔ)上再次優(yōu)化，將曲段形線與流道上升段形線良好銜接，讓流道形線在水泵頂蓋預(yù)埋螺栓下方適當(dāng)下凹，并再次計(jì)算流道水頭損失為0.377 m。兩套方案中，方案2能明顯降低流道水頭損傷，并且設(shè)計(jì)性能良好，可以作為該泵站出水流道的首選方案[3]。

4 結(jié)束語

我國特低揚(yáng)程排澇泵站中應(yīng)用最為廣泛的是立式泵裝置和貫流泵裝置，目前立式泵裝置的運(yùn)用不斷成熟，并且裝置的可靠性高，在安裝和檢修方面更為方便。研究立式泵裝置的運(yùn)用，能夠節(jié)約泵站水力，提升裝置的工作性能。目前國家正在大批量建設(shè)特低揚(yáng)程城市防洪排澇泵站，這些泵站每年運(yùn)行時(shí)間不長，而立式泵裝置可靠性高、容易檢修，因此成為特低揚(yáng)程排澇泵站的第一選擇。