双向立式水泵运行稳定性问题探讨

黄 毅

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

引航道水利枢纽工程位于镇江三山风景名胜区与长江间的通道上，工程将泵、闸与30 m宽的公路交通桥结合布置，泵站所在2个桥墩上部中空作为观景塔楼，塔楼在46 m高空连通构成门形建筑“镇江之门”；节制闸、套闸布置在公路桥桥墩之间的孔口；公路桥在闸站顶部分为左右2幅。工程充分体现水利工程与城市景观、自然景观、水环境保护相协调的原则。

主体建筑“镇江之门”简洁而不简单，构筑了“一水横陈、江中浮玉”的意境（见图1）。泵站首次采用新颖、简洁的双向立式轴流泵装置（已申请实用新型专利），以2台机组为1组、分别布置在2座桥墩泵房内，流道底板总长48 m。引航道水利枢纽工程设计新颖独特，将水利功能和交通需要巧妙结合，创造了一个崭新的工程设计理念，但其环境和边界条件也给水利工程的设计带来独特的要求。

图1 镇江之门图

1 泵型及流道型式

根据泵站扬程运行范围，选用轴流泵型[1]。

在南水北调的江都三站、泗阳泵站、刘老涧等抽水站，立式轴流泵都有正向抽水、反向发电的双向运行经验。可见，立式水泵的流道与卧式水泵一样，都具备双向流动的可行性。

引航道水利枢纽工程主要通过节制闸进行常规引水和排水，泵站的年运行小时数不高，所以对水泵的要求是安全、可靠、稳定，具有一定的效率。考虑服从工程整体布局、满足功能要求、节约工程投资等方面的因素，推荐采用双向立式轴流泵型。立式轴流泵采用“S”型双向转轮，配（正向）肘形进水、弯管出水流道，通过水泵正反转，实现泵站正反向运行，该泵型具有流道型线简单、操作简单、辅助设备少、有利防止泥沙淤积等特点，经常反向运行有利于将长江侧流道口的淤泥冲散。

2 泵站的特点和要求

（1）泵站的年运行小时数不高，但作为排涝泵站，水泵机组必须安全、可靠、运行稳定，具有一定的效率。

（2）泵站布置在桥墩内、泵房居中露出上部建筑、两侧为公路交通桥，因此泵站进出水流道的长度远大于常规泵站。

（3）泵站正反向运行设计净扬程分别是2.7 m和1.3 m，变幅较大，所选择的“S”型双向水泵装置在正反向工况均应安全稳定运行、尽可能兼顾双向运行的效率。

（4）双向立式水泵，其导叶的设置不同于常规的S型叶片卧式双向水泵。

（5）由于双向运行并有调节叶片角度的要求，泵组须承受2个方向的水推力和调节力，水泵机组结构上应保证安全稳定运行。

3 双向立式泵有关稳定性探讨

针对上述特点和要求，围绕双向立式水泵装置的安全稳定运行，在水力特性方面，对流道型线优化、导叶设置等进行分析探讨，并经过CFD计算和装置模型试验验证；在结构上对轴承设置、防抬机等进行关注。

3.1 流道型线的优化

“S”叶片的双向立式轴流泵，配（正向）肘形进水、平直弯管出水流道。正向运行时，水流从下部流道进入，流经转轮、导叶后，从上部流道流出。反向运行时，水流先从导叶流过，再进入转轮，出水直接从下部流道的弯肘管流出。

本工程由于桥墩结构需要，肘形流道长度采用13.00 D（叶轮直径）、高度1.80 D；平直弯管流道长度采用13.00 D、高度2.88 D。不考虑导叶的影响、流道顶板的上翘角度，上、下流道基本是反对称型式，从理论上正反向运行是对称的。流道型线见图2。

图2 流道型线示意图

长肘形进水流道的流态：在流道的直线段内流态平顺；进入弯曲段后，水流迅速改变方向并加速，水流在作90°转向的同时，伴随着急剧的侧向收缩；经过圆锥段的调整，在接近流道出口处，水流趋于均匀分布和垂直于出口断面。

长出水流道的流态：由于水流具有环量，导叶出口水流流速左右不对称、流道纵剖面速度呈现上大下小的趋势；因此，本工程加大出水弯管的90°转向半径、且对转弯断面进行异型变化，尽量使水流在弯曲段消除不对称现象；再经过长直锥段的调整，在接近流道出口处，流速减小、水流趋于均匀分布和垂直于出口断面。

双向运行的水泵流道是结合叶轮、导叶、平衡和满足正向、反向2种运行工况的水流流动要求而确定。泵站的流道置于桥墩内，虽增长了流道的长度，增加沿程水力损失，但减小扩散角或收缩角，有利减小局部损失。

3.2 导叶的设置

图3是立式轴流泵的基本构造图。叶轮和导叶是水泵的关键部件[2]。水流通过叶轮获得能量，使水流从低到高流动。叶轮的进水为轴向有势流，出水带有一定的环量，依靠出水口的导叶消除环量，因此，进水和出水的水流条件是有差异的。对双向运行的水泵，进水或出水是相对概念，在正向运行时是进水，而在反向运行时是出水，因此，为了兼顾双向运行性能，双向叶轮的型线曲度较单向大，而导叶的曲度则尽可能平缓。

图3 立式轴流泵的基本构造图

3.2.1 导叶对双向水流的影响

常规水泵的进水流道使水流平顺、轴向地进入水泵叶轮，然后再经过导叶至出水流道。水泵叶轮出口水流总有一定的环量，导叶可消除或减弱环量，改善水流流态。导叶不仅使水泵获得较高的效率，而且通过改善水流的流态，减小水压脉动，稳定水泵运行。但双向运行的水泵，如采取常规的措施，在反向运行工况对水泵内部的水流流动是不利的。图4为正向和反向2种运行工况的水流流态图[3]。

图4 轴流泵双向运行叶片进口速度矢量图

从图4中可见，反向运行时，水流虽然平顺地进入导叶，但在导叶出口对水泵的叶片有一个环量，产生一个冲角。冲角的大小与流量即导叶的轴面流速有关，冲角不仅引起水力损失，而且叶片的出口边比较薄，对叶片较大的冲击还可能带来振动，不利水泵稳定运行。所以导叶的设置一直是双向运行水泵的设计难点。

3.2.2 导叶位置的确定

本工程双向运行的立式轴流泵为国内首创，没有规律可循。为此，进行机组结构设计时，分别对前导叶、后导叶、双导叶（按正向工况看）3种形式，运用CFD方法，模拟计算分析正向和反向工况下的流态，并结合水泵导轴承的设置，进行分析比较[4]。

（1）正向流态（下流道进水、上流道出水）。后导叶结构就是常规的单向水泵，对水泵的吸入性能以及效率影响不大，主要产生流道的水力损失。前导叶的进水流态不如后导叶；出水流态变动基本在叶轮后的出水转弯附近，靠叶轮距离较近，不仅产生流道的水力损失，还可能对泵段效率产生影响。双导叶的进水流态也不如后导叶；但出水流态较后导叶好，除小流量时转弯处有脱流现象外，基本没有回流。

（2）反向流态（上流道进水、下流道出水）。前导叶结构就是常规的单向水泵，对水泵的吸入性能以及效率影响不大，主要产生流道的水力损失。后导叶的进水流道转弯及进入转轮处水流较均匀；由于出水没有导叶，出水流线基本在叶轮后的出水转弯附近就出现波动，靠叶轮距离较近，不仅产生流道的水力损失，还可能对泵段效率产生影响。双导叶的进水水流较均匀；由于出水设有导叶，出水流道的流线有约束地出水、转弯，转弯处有脱流，但基本没有回流，基本只产生流道的水力损失，不会对泵段效率产生影响。

（3）水泵导轴承的设置。水泵导轴承布置在导叶内，限制水泵运行时的摆度、承受径向力，是水泵必不可少的部件，所以导叶的位置选择应该考虑水导轴承的因素。理论上，引航道泵站的导叶可以双向设置或布置在叶轮的上部、下部。由于桥墩内部空间有限，并且叶轮直径只有1.6 m，若水导轴承设置在叶轮下部，安装、检修非常不便，所以采用布置在叶轮上部的结构形式。

结合径向轴承的设置，如采用前导叶结构，则水泵导轴承设置在叶轮下方，考虑导叶体高度、叶轮淹没深度等，则下流道的底板高程还要降低；如采用双导叶结构，水泵导轴承无论设在上或下导叶体中，都需增加叶轮下方的导叶体高度、降低下流道底板高程；采用后导叶结构，水泵导轴承设置在叶轮上方，与常规机组一样承受径向力，叶轮下方不需要特别留出一定的高度布置导叶体，下流道的底板高程可按常规布置。

从上述分析看，双导叶情况在正、反向运行时流态都是最差的；前导叶正向运行时较后导叶的反向运行好，但反向运行较后导叶的正向运行差；后导叶的正反向运行情况比较适中，差异较小。总体与以往常规水泵采用后导叶的研究成果基本吻合。因此，本工程推荐采用后导叶（正向工况）结构，即导叶体设置在叶轮上方。

3.3 水泵运行稳定性分析和研究

3.3.1 水力性能的稳定

本工程对整个水泵装置进行CFD流态模拟计算[4]，计算结果见图5、图6。正向运行时，水泵装置的流动比较平顺，虽出水流道存在环量，因距叶轮较远，会增加流道的水力损失，但不影响稳定运行；反向运行时，叶轮进口的流态差，叶轮出口的环量也难以消除，在肘管和出水流道均存在较大的环量。因肘管的转弯处型线按不利工况进行一定程度的修正，环量也受到一些控制和消弱，分析认为也不影响运行的稳定性。

图5 水泵进出水流道流速场图（正向运行）

图6 水泵进出水流道流速场图（反向运行）

本工程选择国内应用较多的4个双向转轮，进行模型装置正反向运行试验[5]。除进行常规的能量和汽蚀性能检查，还应观察水流的流动情况，尤其是叶轮、导叶、及其流道的变化部位。试验结果显示，在整个运行扬程范围内水流流动正常，其中应用较多的2#转轮能量指标相对稳定，水流显得更平顺。

3.3.2 水泵机组结构的稳定

立式水泵机组的轴向水推力跟水流方向有关。正向运行时，轴向水推力方向向下；反向运行时，轴向力方向向上。同时水泵机组有调节叶片角度的要求，还须承受2个方向的调节力。研究表明，装有机械式叶片调节机构的水泵机组，在调节杆上移、叶片角度往正角度调节时，出现向上的调节力，可能带动转动部分上抬、发生抬机现象。

从理论上，水推力以及转动部分的重量的合力由推力轴承承受、双向调节力由调节器内的轴承承受。然而，结构上还须设置反向止推装置，以避免发生机组转动部分上抬等不稳定运行的现象。

4 结 语

从2011年3月开始，泵站历经正转试运行、反转试运行以及交付使用等，距今已多年。运行实践证明，无论正、反向运行，双向立式轴流泵机组都安全、稳定，没有出现异常的振动、噪音，由于水位因素，大部分时间在低扬程、大流量的非最优工况运行。

镇江引航道水利枢纽工程结合和满足水利与交通2大功能，将泵站置于桥墩内，虽然给工程设计带来很大难度，但通过一系列计算、分析、研究和试验，传统的下肘型流道、上平直管的立式轴流泵装置，选用性能优异的双向运行模型水泵、合理的流道型线和导叶位置，水泵装置的正、反向运行均平稳，无旋涡等有害水力现象存在；正向运行的水流流态好于反向运行，符合国内现有的双向水泵的共同特性。

镇江引航道水利枢纽工程双向立式轴流泵的安全、稳定、可靠运行，为双向泵站增添了一个新的型式和成功案例。