南水北调东线一期工程灯泡贯流泵结构特点

? 南水北调东线一期工程灯泡贯流泵结构特点

南水北调东线一期工程灯泡贯流泵结构特点

张仁田1,2, 单海春1, 卜舸1, 周伟1, 朱红耕2, 姚林碧1

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司, 江苏 扬州 225127; 2. 扬州大学水利与能源动力工程学院, 江苏 扬州 225127)

摘要：对南水北调东线一期工程中不同结构型式的灯泡贯流泵,按照工况调节方式和传动方式及总体结构的组合,归纳为变频调节整体紧凑结构型(I型)、变频调节现场可拆装结构型(II型)、齿轮箱传动机械全调节现场可拆装结构型(III型)和液压全调节现场可拆装结构型(IV型)等4种结构型式．根据机械和液压式叶片全调节以及变频变速调节等工况调节方式,以及直接传动和通过减速齿轮箱的间接传动的不同传动方式,对4种不同结构型式的主要特点进行了定性和定量分析．研究结果表明:不同结构的灯泡贯流泵均安全、可靠,其中IV型结构机组在最大水推力及反向推力等不利工况下,最大变形值约为0.2 mm,不同部位的变形差小于0.1 mm,但在结构特性方面有明显差异．IV型机组的重量达225 t,约为I型结构的3倍;与叶片调节相比,采用变频变速调节时,不仅能够简化机组的结构,而且水泵可以采用柱形轮毂,提高效率1.6%以上．

关键词：南水北调;一期工程;灯泡贯流泵;结构特点

张仁田,单海春,卜舸,等. 南水北调东线一期工程灯泡贯流泵结构特点[J].排灌机械工程学报,2016,34(9):774-782,789.

ZHANG Rentian, SHAN Haichun, BU Ge, et al. Structural features of bulb tubular pumps in first phase of South-to-North Water Diversion Eastern Route Project in China[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(9):774-782,789.(in Chinese)

structural feature

南水北调东线工程通过13个梯级逐级从长江到天津向北调水,需要新建和更新改造51座大型低扬程泵站,由于贯流泵具有水力损失小、效率高的特点,使得贯流泵被广泛采用[1]．在已经建成并投入运行的第一期工程新建的21座泵站中,就有6座泵站采用了不同结构型式的灯泡贯流泵．文中将对这6座灯泡贯流泵站的机组结构特点进行综合分析,旨在为后续建设的同类泵站提供参考．

1　泵站基本参数

采用灯泡贯流泵的6座泵站分别位于江苏省和山东省境内,其中金湖泵站、淮阴三站、泗洪泵站和蔺家坝站4座泵站在江苏省境内,韩庄泵站和二级坝站位于山东省境内．在这6座泵站中,工况调节方式有叶片全调节和变频变速调节,在全调节中又有机械全调节和液压全调节之分;在传动方式上有减

速齿轮箱间接传动和直接传动2种型式．6座泵站的灯泡贯流泵机组的设计、生产制造均采用了中外合作的方式,关键技术和部件由国外企业负责,全部水泵叶轮均在国外采用五坐标数控加工中心生产制作,配套电动机由国内企业生产完成．泵站的特征参数和灯泡贯流泵结构参数分别见表1和2,表中H,Qt分别为扬程、总流量;D,ns,N,rh,rb,nr,Qd,P,ms,t分别为叶轮直径、比转数、叶片数、轮毂比、灯泡比、水泵额定转速、水泵设计流量、电动机容量、机组总质量、机组台数．

表1　6座泵站的主要特征参数

Tab.1　Technical specifications of six pumping stations

泵站H/m设计最小最大平均Qt/(m3·s-1)所属梯级金湖泵站2.451.252.752.101502淮阴三站4.281.184.783.061003泗洪泵站3.2304.731.601204蔺家坝站2.400.103.102.08759韩庄泵站4.152.254.153.651259二级坝站3.210.483.821.9912510

表2　灯泡贯流泵的主要结构参数

Tab.2　Major structural parameters of bulb tubular pumps

泵站D/mmnsNrhrbnr/(r·min-1)Qd/(m3·s-1)P/kW传动方式电动机型式工况调节方式ms/tt制造厂商淮阴三站3140 94050.451.00125.033.42200直接低速同步变频调速654韩庄泵站3140 94050.450.85125.031.51800直接低速永磁变频调速635荷兰耐荷、长沙水泵、湘潭电机二级坝站3000121030.351.08115.431.51650直接低速同步变频调速1425泗洪泵站3050121030.351.08107.030.02000直接低速同步变频调速1555日本荏原、山东博泵、上海电机蔺家坝站2850135030.380.98120.025.01250齿轮箱高速同步机械全调节1134金湖泵站3350135030.380.94115.037.52200直接低速同步液压全调节2255日本日立、无锡日立(无锡锡泵)、湘潭电机

2　不同灯泡贯流泵的结构型式

灯泡贯流泵的流道顺直,具有水力损失小、装置效率高的显著优点,但也是贯流泵中结构最为复杂的一种泵型,因此目前世界上采用大型灯泡贯流泵的泵站非常有限,其中具有代表性的有荷兰耐荷泵业为IJmuiden泵站设计制造的直径为3 940 mm的直接传动变频调速灯泡贯流泵,日本荏原1973年为新川河口泵站设计制造的直径为4 200 mm的齿轮箱传动叶片调节贯流泵,并于2014年进行了更新改造,而国内仅有1997年投运的淮安三站,叶轮直径为3 190 mm，直接传动、叶片不调节,目前由无锡日立承担更新改造[1-2]．

作为机组外壳的灯泡体淹没在水下运行,因此对密封、冷却及通风等均有近乎苛刻的要求,而且为了保证有较高的水力效率,灯泡体的尺寸也受到严格的限制,必须满足一定要求的灯泡比．为了实现在不同运行工况下机组的稳定性、可靠性、安装和维护便利的目标,不同结构型式的灯泡贯流泵采用了不同的主轴支撑结构和泵体支撑型式．传统的灯泡贯流泵结构参照了灯泡式水轮发电机组结构型式,水泵与电动机的主轴采用刚性连接或者共用一根轴,并由两轴承或三轴承系支撑;灯泡体底部采用混凝土墩固定,顶部采用管形柱支撑,并作为进人孔和连接设备的进出通道．外壳在进水侧和出水侧与混凝土的流道相连接[3],如图1所示．

图1　传统的灯泡贯流泵机组结构型式

Fig.1　Structure of conventional tubular bulb pumps

虽然对灯泡贯流泵的灯泡体布置在进水侧(前置)或者出水侧(后置)对水力性能影响的研究工作一直没有停止[4-5],但在南水北调东线一期工程中建设的6座灯泡贯流泵站无一例外地均采用了灯泡体后置的结构型式．文献[6]从结构的角度分析,认为一方面由于水泵的导叶体总是后置的,可以起到支撑灯泡体的作用,无论灯泡体采用底部主支撑还是采用管形柱作为主支撑,都会因为后导叶体的支撑作用使得灯泡体沿轴向形成多点支撑,能提高机组的稳定性;另一方面当灯泡体后置时,组合轴承安装在电动机非驱动侧,因此安装调整方便,易于保证安装质量,维护和检修亦便利．

2.1　结构型式的分类

就南水北调东线工程所采用的灯泡贯流泵而言,其结构型式总体可分为整体紧凑结构型和现场可拆装结构型两大类．整体紧凑结构型机组部件少、质量小,但需要整体返厂维护,现场拆卸无法检修．例如淮阴三站和韩庄泵站,淮阴三站仅有45个零部件,总质量约为65 t[2]．现场可拆装结构型相对耗材较多,相同直径的机组总质量均在140 t以上,但其优点是方便现场的检修,例如金湖泵站、二级坝站等．

2.2　传动方式

按传动方式分类,可分为直接传动和间接传动．在这6座灯泡贯流泵站中,仅有蔺家坝泵站采用行星减速齿轮箱间接传动,其余5座泵站均为直接传动．

2.3　工况调节方式

为了适应不同工况下的运行要求,变频变速调节和叶片全调节2种工况调节方式均有应用,其中采用变频调节的泵站有4座．在采用叶片全调节的泵站中,蔺家坝泵站采用了前置机械全调节,金湖泵站采用中置式液压全调节．

对6座灯泡贯流泵站的结构组合型式进行分类,可分为4种类型:① 变频调节的整体紧凑结构型,如图2所示;② 变频调节的现场可拆装结构型,如图3所示;③ 齿轮箱减速间接传动、机械全调节的现场可拆装结构型,如图4所示;④ 液压全调节的现场可拆装结构型,如图5所示．组合分类见表3．

图2　变频调节整体紧凑结构型(Ⅰ型)

Fig.2　Sectional view of compact structure with VFD(type Ⅰ)

图3　变频调节现场可拆装结构型(Ⅱ型)

Fig.3　Sectional view of dismountable structure with VFD(type Ⅱ)

图4　齿轮箱传动、机械全调节现场可拆装结构型(Ⅲ型)

Fig.4　Sectional view of dismountable structure with gearbox and mechanical blade regulation

mechanism(type Ⅲ)

图5　液压全调节现场可拆装结构型 (Ⅳ型)

Fig.5　Sectional view of dismountable structure with hydraulic blade regulation mechanism(type Ⅳ)

南水北调东线一期工程中应用得较多的灯泡贯流泵结构型式是现场可拆装型的，并以直接传动的方式和变频调速的工况调节方式为主.这从表3中也可得知.

表3　灯泡贯流泵结构组合分类表

Tab.3　Structural classification of tubular bulb pumps

结构型式淮阴三站韩庄泵站二级坝站泗洪泵站蔺家坝站金湖泵站总体结构整体紧凑型现场可拆装型■■■■■■传动方式直接传动间接传动◆◆◆◆◆◆工况调节方式变频变速机械全调节液压全调节●●●●●●组合分类I型I型II型II型III型IV型

3　不同型式灯泡贯流泵的结构特点

3.1　变频调速整体紧凑结构型

淮阴三站和韩庄泵站采用了变频调速整体紧凑结构的贯流泵机组,除了韩庄泵站采用永磁电动机而淮阴三站为常规的绕线式同步电动机外,其余结构完全相同,这种结构型式已经在荷兰IJmuiden泵站成功应用[7]．该结构的电动机与水泵共用一根主轴,在主轴的电动机端布置了滑环,由2组滚动轴承支撑,其中机组的轴向推力由安装在电动机非驱动侧的组合式球面滚动轴承承受,并由轴承座传递到泵混凝土基础．工况调节采用多脉冲完美无谐波变频装置调节水泵机组的转速[2]．电动机的转子采用热压技术与主轴装配,定子与采用贴壁式结构的灯泡体外壳形成整体,灯泡体外部流动水体为定子提供了部分冷却功能,而定子与转子之间及其转子的冷却采用安装在外部的2台风机实行强迫通风冷却．主轴密封采用了船用的IHC型超密封,可以保证无泄漏．机组的进、出口采用法兰与基础环连接,在进口侧布置了一道伸缩节,便于拆装．机组结构如图2所示．

淮阴三站与韩庄泵站机组的不同之处,在于采用了不同类型的电动机而导致结构尺寸略有差异,两者的对比如图6所示(图中黑色为淮阴三站、绿色为韩庄泵站)，其中韩庄泵站永磁电动机采用性能优异的钕铁硼永磁材料，剩磁和矫顽力高，且退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合.电动机的转子采用嵌入式结构，磁钢装入由硅钢片制成的盒中，由固定块将磁钢及硅钢片固定在转子支架上，磁通主要由硅钢片形成闭合回路，漏磁小．电动机的直径由3 160 mm减小为2 680 mm,定子质量由9.30 t减小为6.37 t,转子质量从10.50 t下降至6.62 t,电动机效率从93.71%提高到97.50%,且1次充磁的周期不少于30 a[8]．

图6　不同电动机的结构对比图

Fig.6　Structural comparison between electro- and PM-motors

3.1.1　轴承支撑的特点

机组的径向荷载由安装在驱动端(前侧)和非驱动端(后侧)的2组球面滚动轴承承担,轴承结构如图7所示．正向轴向推力(正常工况)由后侧的锥形球面滚动轴承承受,组合轴承中的球面滚动轴承承受偶发性反向推力．为了便于装配,前侧径向轴承采用允许轴向误差较大的锥形套管装配;而后侧轴承轴向装配精度要求高,则采用了柱形装配．轴承安装在可拆卸的轴承室上,并固定在轴承支座的前端和后端．轴承的保护是通过前、后各布置一道IHC型凸密封得以保证．前侧轴承支撑与导叶体形成一体,该位置还布置了保护电动机的串接筒型密封,即无泄漏的IHC型超密封．后侧轴承支撑形成一个松动的锥形盘,由法兰连接．轴承支撑法兰安装在法兰内侧的扇形法兰上,法兰内侧松动的部分被嵌入电动机壳的槽中,并由2个扇形块固定．

图7　紧凑型机组的轴承结构

Fig.7　Bearings and bearing supports for pumps with compact structure

SKF轴承的选型与耐久性分析结果表明,前侧径向轴承采用23964CCK/W33+OH2394H、后侧径向轴承采用23952CC/W33、推力轴承采用29360E是合适的,并且寿命期能够满足南水北调工程长时间连续运行的要求．在保证润滑油液位、最大负荷及室温为40 ℃的条件下,温升为4～5 ℃,因此不需要额外的冷却系统,且根据国际规程[9]计算,径向轴承的寿命为(3.10～4.87)×106 h,推力轴承的寿命为1.57×105 h．

3.1.2　叶轮和导叶体的装配特点

图8为紧凑型灯泡贯流泵叶轮及导叶体结构．叶轮由5个叶片组成,并通过优化达到最优的叶片负载,以实现良好的空化性能．叶片的材质为不锈钢．由于叶片在运行过程中不需要调节,因此通过一个锁紧环(STUWE)固定在叶轮轮毂上,这样可以提供调整叶片的可能,并且也可以控制单一叶片的质量和形状,易于生产、平衡和维修,最终叶片根部采用黏结剂与轮毂固定,保证叶片与轮毂之间无间隙,以提高水力效率．叶轮轮毂和轴的固定也采用了类似锁紧环的结构,如图8a所示．

后导叶体有8枚导叶,铸造成型后的导叶被焊接到锥形管的内部和外部,导叶体含4个圆管,成直线安装在外侧,以减少损失,如图8b所示．上部的立式圆管是电缆及其他管线的进出通道,下部的圆管为排水用,并设置液位传感器．横向的圆管是冷却空气进入到电动机转子的通路,立式圆管是密闭不透气的,以保证冷却空气在转子中循环．

图8　紧凑型灯泡贯流泵叶轮及导叶体

Fig.8　Impeller and diffuser casing of pumps with compact structure

3.2　变频调节的现场可拆装结构型

该结构型式的泵站有泗洪泵站和二级坝泵站,这2座泵站除性能参数稍有差异外,结构型式基本相同．该结构型式借鉴了灯泡贯流式水力发电机组的结构型式,水泵与电动机共用一根主轴,由2组滚动轴承支撑,电动机的冷却系统与紧凑结构型不同,采用了外循环的冷却器水冷却方式,冷却器布置在灯泡的头部[10-11]．灯泡体为水平中分结构,在下部布置了设备进出的通道．机组总质量约为140 t．

3.2.1　叶轮及导叶体结构

图9为现场可拆装型机组的叶轮及导流壳体结构．水泵的工况调节方式为变频调速,叶片的安放角固定不变,因此叶轮室和轮毂均采用圆柱形,如图9a所示,这种结构型式完全符合轴流式叶片设计中的圆柱层无关性假设,且叶片与轮毂之间无间隙,可以提高效率1.6%以上[12]．叶片采用螺栓和固定销固定于轮毂,以防止在运行时由于振动和其他原因产生松动和损坏,叶轮和主轴之间采用键和螺母紧固,拆卸组装都很方便．

图9　现场可拆装型机组的叶轮及导流壳体结构

Fig.9　Pump impeller and casing structure of dismountable type

为了便于水泵灯泡体的安装及拆卸,导叶采用上、下中分结构;为了保证导叶体有足够的刚度,导叶下半部将直接固定于混凝土基础座上．导叶采用Q235-B板材压制,便于焊接加工和易于应力去除的热处理．

3.2.2　导流壳体结构

水泵和灯泡体由水泵后导叶体连接,叶轮、叶轮室、灯泡体内的电动机定子、电动机转子和主轴、电动机壳体、水泵和轴承支撑壳体盖各自吊装、安装．导流壳体及相连水泵外壳为中开式结构,它们的下半部均直接埋入混凝土基础座、上部可自由拆装,方便灯泡体的拆卸和安装．相对于紧凑型结构,该部件的体积较大,如图9b所示．

3.3　齿轮箱减速间接传动、机械全调节的现场可拆装结构型

该结构型式仅用于蔺家坝泵站,水泵通过行星减速齿轮箱与高速同步电动机连接,工况调节采用设置在叶轮前侧的机械式叶片全调节机构[2]．机组壳体全部为金属结构件,并且水平中分,与新川河口泵站机组结构相似．由于采用体积相对较小的高速同步电动机,因此便于机组的通风冷却．机组转动部分的径向力由设备自身的导轴承承受,采用油脂润滑;轴向力由水泵的组合推力轴承承受,推力轴承布置在水泵叶轮与齿轮箱之间,采用稀油润滑并设冷却水进行冷却,保证机组在最大载荷时轴承润滑油的温升不超过设计值,机组结构如图10所示．在灯泡体段的上部和下部各设有一个进人孔,可以方便地进入灯泡内进行检查和维修．另外,在灯泡体段上部和下部分别设有进风口和排风口,以保证灯泡体内有良好的通风条件和合适的温度与湿度．

图10　蔺家坝泵站机组结构示意图

Fig.10　Sketch of pump structure of Linjia Dam Pumping Station

3.3.1　行星齿轮箱传动的特点

由于齿轮箱的应用,电动机的尺寸明显减小,因此灯泡体内便于安装布置电动机及其相关设备,灯泡比也可以减小,有利于改进水力性能;电动机、齿轮箱及水泵等主要设备之间有清晰的边界,便于来自不同设备制造商之间的合作．该泵站行星齿轮箱的传动比为1 ∶6.25,采用一级传动其效率可达到98%,高速同步电动机的效率为96%,因而采用齿轮箱传动后的总效率与直接传动基本一致．另外,高速同步电动机的体积小、质量小,可以降低整个机组的制造成本．

影响齿轮箱传动容量的决定性因素是寿命系数,当行星齿轮箱的使用寿命超过100 000 h,寿命系数为0.65．为了延长其使用寿命,行星齿轮箱的太阳齿和行星齿均采用镍合金钢材料,齿轮轴采用合金钢锻造,并配有无外轴承室的SKF轴承．齿表面采用磨齿机进行机械加工精度达到AGMA12级．通过渗碳和淬火处理,齿表面洛氏硬度达到HRC58-62,其他部位达到HRC33-42,碳残留奥氏体、铁氧体及马丁体均优于3级．

为了满足齿轮箱的润滑要求,每台齿轮箱均设1套稀油站润滑系统,同时为了确保稀油站的工作油温不超过40±2 ℃,稀油站设有冷却水系统．

由于齿轮箱的应用,水泵的额定转速可以不是同步转速,因此拓宽了水力模型的选择范围,为解决低扬程、高比转数水力模型短缺提供了一种有效途径．

3.3.2　机械式叶片调节机构

因为在水泵与电动机之间有减速齿轮箱,所以叶片调节机构必须布置在叶轮的前端．为了保证水泵有良好的进水条件,对调节机构的支撑进行了水力优化设计,采用流线型支撑和平板型前导叶体(如图4所示),可以使必需的结构对水力性能的影响降低到最低程度[13-14]．调节机构的基本原理是通过蜗轮蜗杆传动机构,将其伺服电动机的垂直旋转驱动转换为水平轴向驱动,再通过杠杆作用实现叶片角度调节．调节系统由分离器、减速器、拉杆和导向块等零件组成,如图11所示．2个球面滚动推力轴承背对背装在分离器座内,可承受双向调节力．当水泵运转时,其轴承内圈、拉杆头和主轴转速是同步的;在调节叶片角度时,减速器丝杆旋转促使分离器轴向移动,这样,旋转和轴向移动通过分离器分开,不会相互干涉,成为2个独立的运动,而导向块迫使分离器不会跟转．在电源切断的情况下,蜗轮蜗杆具有自锁功能,仍能维持原叶片角度;伺服电动机布置在水泵外部,其维护管理方便．叶片操作机构的组合轴承采用稀油润滑;为了保证调节机构具有好的工作环境,还设有通风设备．

图11　机械式叶片全调节原理图

Fig.11　Mechanical blade regulating mechanism

3.3.3　机组的支撑结构

图12为齿轮箱传动机组的支撑结构．由于采用间接传动方式,水泵和电动机有各自的主轴,而且水泵与齿轮箱之间、齿轮箱与电动机之间为柔性连接,因此不同部件的工作力分段传递到基础上．叶轮旋转部件、齿轮箱及灯泡体的一部分受力,通过水泵侧的推力轴承座(见图12a),由导叶体传递到泵房的混凝土基础上．电动机及灯泡头部的受力通过电动机侧的组合轴承传递到外支座(见图12b),然后由支座后侧的下支撑传递到混凝土基础．

图12　齿轮箱传动机组的支撑结构

Fig.12　Supporting structure of pumps with gearbox

3.4　液压全调节现场可拆装结构型

这种结构型式用于金湖泵站,同步电动机直接驱动、叶片液压全调节的水泵,水泵轴与电动机之间采用鼓齿联轴器柔性连接;水泵叶轮采用了与蔺家坝泵站类似的双支点支撑,以提高水泵轴系的稳定性．径向轴承采用SKF滚动轴承,油脂润滑[15]．与蔺家坝泵站相比,由于叶轮直径较大,为了减小调节机构前置对进水流态的影响,提高机组效率,将调节机构设置在水泵与电动机之间,即中置式布置,操作杆较短、刚性好,保证调节力传递的稳定性和可靠性[16]．

泵体、灯泡体(除了电动机处外)全部采用水平分半结构,分半面采用刚性法兰连接、定位销定位,泵体各零件之间的结合面也采用法兰刚性连接,止口配合定位,O形密封圈密封,如图5所示．由于其结构复杂,叶轮直径也是6座泵站中最大的,机组质量达到了225 t．

3.4.1　液压式叶片全调节

该叶片调节机构的工作原理借鉴了船舶的可变桨距的螺旋桨桨叶调节技术,以提高液压全调节机构技术的先进性和运行可靠性,并由日本专业生产厂家Kamome Propeller Co. Ltd.生产制造[17]．叶片调节机构的原理如图13所示,在水泵叶轮的轮毂内设置由十字叉头和曲柄拐臂组成的连杆机构,通过中空轴中的推拉杆左右运动使得拐臂的旋转运动变化，从而改变叶片的安放角．油缸位于联轴器与供油轴之间,构成轴系的一部分,活塞和推拉杆直接连接,活塞的活动传递给推拉杆．同时,由安装在活塞的电动机侧叶片角度检测轴,将叶片角度传送到跟踪发射机．该检测装置在紧急情况下还具有固定叶片角度的作用．

图13　叶片液压全调节原理图

Fig.13　Hydraulic blade regulating mechanism

为调节机构供油的供油箱采用分离式结构,由轴承支承而不会旋转,供油箱内部同样是分离式的金属密封环,将使活塞活动的高压工作油送入旋转的供油轴内．供油箱检修时不需要解体供油轴,另外由于没有磨损部件所以也不需要更换．油压回路分为工作油和润滑油回路,高压工作油仅仅是在调节叶片时提供,叶片角度的保持由油缸内的液压单向阀控制,所以运行时只需提供润滑油．为节能起见,将不连续运行的叶片操作用油泵与连续运行的轴承润滑油泵兼用．

文献[18]通过综合分析认为采用叶片全调节是该泵站最佳的工况调节方式．但相应的液压系统等辅助设备较多,现场布置有一定的难度．金湖泵站布置在水泵导叶体下部的支墩之间,易于受到厂房渗漏水的影响．

3.4.2　轴系支撑与泵体支撑

水泵轴系采用三点支撑,在调节结构的后端增设一组径向轴承,水泵运行时的水推力由水泵的推力轴承承受,保证了轴系仅有扭矩的传递,没有相互干扰．电动机采用双点支撑,两侧均为可以承受轴向力的组合轴承．

整个泵体设置了3个主支撑和1个副支撑,主支撑分别为电动机支撑、导叶体支撑以及扩散段支撑,副支撑为进水段支撑,内部设置了1组径向轴承．在电动机支撑的前后各有1个进人孔,供安装检修使用．

根据结构分析软件CADAS的数值分析结果,在最大水推力及反向推力2种不利工况下,最大变形值仅约为0.2 mm,不同部位的变形差小于0.1 mm,因此机组结构强度满足所有工况的安全运行要求．

4　结　论

介绍了6座泵站采用的4种灯泡贯流泵结构型式,不同结构型式各有优缺点,紧凑型结构机组零部件少、质量小,但无法在现场拆装维修,需要有较高的可靠性,而且返厂维护将增加运行期的成本;现场可拆装型结构相对复杂,一次性投入大,但可以在现场进行检修维护,比较适应中国现行的泵站管护体制．采用变频装置进行工况调节可以简化机组的结构,将较为复杂的旋转部件叶片调节机构由静止的电气装置所替代．虽然永磁电动机取消了励磁设备,但变频装置是必不可少的配套设备;与叶片全调节相比,变频的工况调节范围受到一定的限制．

灯泡贯流泵不同结构型式的运用不仅与不同生产制造商的设计水平、生产加工能力和经验积累有关,而且还与相关技术的发展水平、成本等因素密不可分．永磁电动机的应用就是永磁技术理论和生产水平迅猛发展的产物,变频装置的大范围推广应用也是高压变频装置技术快速发展、成本大幅降低的结果．同样,采用齿轮箱时需要高效率、高可靠度的行星减速齿轮箱,目前大容量的行星齿轮箱都是依赖于进口．借鉴船舶可变桨距的螺旋桨桨叶调节技术的水泵叶片中置式液压调节机构系国内首次使用,其优越性还有待于长时间运行的检验．有关结构及主要部件的设计理论与方法将另文介绍．

南水北调东线工程已经于2014年正式投入运行,其中6座灯泡贯流泵站均在2013年底前通过试运行检验．在低扬程泵站,特别是扬程在5.0 m以下时,采用灯泡贯流泵具有性能优、效率高的特点,工作扬程约为2.0 m时的效率可达到75%以上,有关灯泡贯流泵的性能分析将另文介绍．现场实测的机组在不同工况下,各部位的振动、摆度、温升等参数均优于现行规范的要求,机组运行稳定、工况调节方便,达到了预期的设计目标．不同型式的灯泡贯流泵可以结合低扬程泵站的具体特点推广应用．

参考文献(：References)

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(责任编辑　张文涛)

Structural features of bulb tubular pumps in first phase of South-to-North Water Diversion Eastern Route Project in China

ZHANG Rentian1,2, SHAN Haichun1, BU Ge1, ZHOU Wei1, ZHU Honggeng2, YAO Linbi1

(1.Jiangsu Surveying & Design Institute of Water Resources Co. Ltd., Yangzhou, Jiangsu 225127, China; 2. School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225127, China)

Abstract：According to the blade regulation method and power transmission mode, the structure of bulb tubular pumps installed in the first phase of South-to-North Water Diversion Eastern Route Project in China can be classified into four kinds, compact structure with variable frequency drives (VFD) (type Ⅰ), dismountable structure with VFD (type Ⅱ), dismountable structure with gearbox power transmission chain and mechanical blade regulation mechanism (type Ⅲ), and dismountable structure with hydraulic blade regulation mechanism (type Ⅳ). Based on the blade regulation method, pump operational conditions adjusting approach and power transmission chain, the major advantages and di-sadvantages of these structures are analyzed qualitatively and quantitatively. The results show that even though all the four kinds of pump structure are safe and reliable, in which the maximum deformation of type Ⅳ is about 0.2 mm and the deformation differences between various locations is less than 0.1 mm under the positive and negative peak axial thrust conditions, there are some notable differences in the structure features. For instance, the weight of type Ⅳ unit is 225 t, about three times than the type Ⅰ. Compared with the mechanical blade regulation method, the structure with VFD is simple, but also a cylindrical hub can be adopted in the pumps, so that the pump efficiency can be improved by over 1.6%.

Key words：South-to-North Water Diversion Project;first stage project;bulb tubular pump;

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.15.0216

张仁田

收稿日期：2015-10-12; 网络出版时间： 2016-09-14

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAB07B00)； “十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB04A03)； 江苏省水利科技指导性项目(苏水科[2015]5号)

作者简介：张仁田(1964—)，男，江苏建湖人，教授级高级工程师，博士生导师([email protected])，主要从事泵及泵站工程设计与咨询研究.

单海春(1965—)，男，江苏兴化人，高级工程师([email protected])，主要从事泵站工程研究.

中图分类号：S277.9; TV136.2

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2016)09-0774-09

网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20160914.1330.008.html