南水北调东线一期工程灯泡贯流泵结构特点.docx
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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
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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0.2mm,不同部位的变形差小于0.1mm,但在结构特性方面有明显差异.IV型机组的重量达225t,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.ZHANGRentian,SHANHaichun,BUGe,etal.StructuralfeaturesofbulbtubularpumpsinfirstphaseofSouth-to-NorthWaterDiversionEasternRouteProjectinChina[J].Journalofdrainageandirrigationmachineryengineering(JDIME),2016,34(9):
774-782,789.(inChinese)structuralfeature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 Technicalspecificationsofsixpumpingstations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 Majorstructuralparametersofbulbtubularpumps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314094050.451.00125.033.42200直接低速同步变频调速654韩庄泵站314094050.450.85125.031.51800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3940mm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4200mm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3190mm,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 Structureofconventionaltubularbulbpumps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65t[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140t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 SectionalviewofcompactstructurewithVFD(typeⅠ)图3 变频调节现场可拆装结构型(Ⅱ型)Fig.3 SectionalviewofdismountablestructurewithVFD(typeⅡ)图4 齿轮箱传动、机械全调节现场可拆装结构型(Ⅲ型)Fig.4 Sectionalviewofdismountablestructurewithgearboxandmechanicalbladeregulationmechanism(typeⅢ)图5 液压全调节现场可拆装结构型(Ⅳ型)Fig.5 Sectionalviewofdismountablestructurewithhydraulicbladeregulationmechanism(typeⅣ)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 Structuralclassificationoftubularbulbpumps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3160mm减小为2680mm,定子质量由9.30t减小为6.37t,转子质量从10.50t下降至6.62t,电动机效率从93.71%提高到97.50%,
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