船坞主泵选型及结构优化设计浅析

摘要：船坞泵大多按照普通的导叶式混流泵进行设计使用，实则不然，不同工况、不同介质对水泵要求是不同的，尤其船坞主泵功率很大，高效节能是必须考虑的。本文对大型船坞泵项目中的主泵进行了选型及结构设计方面的介绍，运用了新的选型方法、使用了新的结构形式，并在实际使用中得到了验证，取得了良好的效果。

引言

2021年，我国船舶企业继续保持全球第一，占世界总量的50％左右。船舶建设或者维修船舶都需要在船坞中进行，在新船没下水的时候，需要在船坞中完成对船底接触水面部分的施工建设，避免因为过早接触水面而引发施工和质量问题；船坞也可以为已经下水的船只提供后期的修理和维护，可以让船只进入后，实现脱离水面，方便船舶修理和养护。在每一个船坞中都有一套灌排水系统，排水主要配套船坞主泵、副泵、排水管道及阀门。主泵用来排空坞室内的水，副泵用来排除雨水、地下渗水，并在最后排空船坞内的水时代替主泵工作。船坞泵多采用斜流泵，主泵采用双基础安装，副泵选用单基础安装。本文结合笔者公司承接的某船坞项目，介绍了船坞主泵选型及结构的优化设计，供读者参考。

1水泵主要参数

本次泵组是南方地区某船坞工程的抽排水设备，其中主泵和辅泵是导流廊道配水。主泵廊道断面尺寸5m×5m，辅泵廊道断面尺寸4m×5m。水泵层标高－137m，出水管标高067m，介质为海水和含沙废水。采用3台1800kW排水主泵及电机、2台500kW排水辅泵及电机、3台110kW排水辅泵和雨水泵及电机，泵组安装基础部件和配套连接件。船坞主泵主要参数口径、流量、扬程、效率、转速、功率等符合表1规定。根据参数要求，水泵型号确定为2000HD－15SZ，其中2000为水泵出水口径，为2m；HD为斜流泵；15为设计扬程15m；SZ为转子可抽出式结构。水泵和电机分层安装，轴向力由电机承受，水泵俯视顺时针旋转，出水口位于水泵和电机安装层中间，水泵层采用闭式安装方式。

2水泵选型

水泵选型是建设泵站的关键一步，选出优秀的水力模型是水泵高效运行的关键。关醒凡教授在《大中型低扬程泵选型手册》中详细介绍了新的选型方法———选型系数法，本项目采用该方法进行选型［1］，如表2所示。流量系数＝泵装置最高效率点流量÷泵段最高效率点流量扬程系数＝泵装置最高效率点净扬程÷泵段最高效率点扬程KH＝HZ／HD（2）效率系数＝泵装置最高效率点效率－泵段最高效率点效率Kη＝ηZ－ηD（3）根据主泵参数计算水泵比转速ns［2］：ns＝365槡nQH34＝5269（4）式中，Q单位为m3／s（对双吸泵取Q／2）；H单位为m（对多级泵取单级扬程）；n单位为r／min。根据比转速选择TJ11－HL－05号水力模型并结合选型系数法进行选型，水泵运行曲线如图1所示。

3水泵结构设计

水泵机组采用双基础立式安装方式，电机与泵安装在各自的基础层上。泵吐出口在泵基础层上，水泵层采用闭式安装，泵组轴向推力由电机承受，水泵外接淡水润滑和冷却水，淡水来自于生活水管，冷却水排至水泵层潜污泵坑，泵组联轴器为刚性连接，轴向密封采用填料函，俯视顺时针旋转。

31抽芯式结构

电厂循环水泵采用抽芯式结构形式比较多。目前，国内船坞主泵大多为1200口径到1600口径，采用传统的转子和水泵一体式结构为主，因本船坞主泵属于大型泵，为了便于安装，以及大修时快速复原使用，船坞主泵选用抽芯式结构。抽芯部件包括叶轮、转轮室、导叶体、泵轴、轴护管、中间支承部件、导流板以及导轴承等部件，剩余的进水喇叭、导叶外筒、出水三通、接长直管等组成壳体部件，最大优势是检修时基础部件和水泵出水管路都不用拆卸，直接将抽芯部件从泵体部件中抽出检修，大大缩短时间。产品整体结构如图2所示。

32水力部件结构设计

叶轮和导叶体是水泵的核心部件，水泵性能及稳定性多取决于叶轮和导叶体。在通过选型系数法选择出优秀的水力模型之后，结构、加工制造就显得尤为重要，叶轮采用整体铸造，叶轮经过加工中心整体加工，叶片表面粗糙度可达到16μm，表面流线光滑准确。加工好的叶片使用高精度三坐标测量仪进行检测，通过采集叶片表面数据，在电脑上自动生成叶片三维图，与设计的叶片三维模型进行对比，确保叶片型线与设计相符，同时叶轮经过公司内高精度动平衡机进行动平衡试验可以达到G25级要求，进一步提高了运行稳定性。导叶体对于性能影响也非常大，往往被忽略，本项目导叶体选择铸焊结构，导叶片单独进行铸造，并在铸造后对导叶片进行数控加工，同样经过三坐标测量仪检测，以确保导叶片型线准确。焊接后导叶体内部流道光滑，提高了水泵运行效率，使水泵一直处于高效率运行，高效节能。

33多轴承设计

本项目水泵安装层标高为－137m，流道层底板标高为－197m，减去1m悬空高度，基础下泵体长度仍然达到了5m，加上基础上的泵座和出水三通长度整体泵体长度达到8m，水泵轴长度接近10m，一般在填料下方、导叶体内和中间支承处设置3个导轴承。本项目经过计算轴系临界转速及参考以往项目经验，将导轴承数量设置为4个，第4个安装在近叶轮处，4个导轴承承受机组运行过程中产生的径向力，同时适当加大轴径，并选择赛龙SXL作为导轴承瓦材质，3个方案同时使用确保水泵稳定运行。

34泵轴结构设计

本项目水泵运转时轴向力由电机轴承承受，泵轴材质为双相不锈钢，水泵轴和电机轴刚性连接，电机轴和水泵轴头都直接锻法兰，现场安装时对两法兰配铰螺栓孔之后安装螺栓。同时，为降低厂房高度，水泵主轴采用分段设计，上轴和下轴之间用刚性联轴器连接，联轴器键槽采用线切割，泵轴键槽采用加工中心加工，最大限度保证同心度。为保证泵轴寿命、保护泵轴配合面，在主轴的导轴承配合面、填料配合面采用堆焊不锈钢工艺，可以提高轴颈表面硬度（不低于45HRC），大大提高泵轴的耐磨性能。

35防抽芯部件旋转结构

在水泵运行中抽芯部件存在受力旋转的隐患，需要增加防旋转措施，在转轮室背面每90°设置一个防转筋板，同时在导叶外筒内壁每90°设置一个防转卡槽，在抽芯部件插入到壳体部件安装时，转轮室上防转筋板安装到导叶外筒的防转卡槽内，此结构可消除防转隐患，在实际工程中已得到应用。

4水泵材料选择

因本项目建在海边，水泵输送介质为海水，水泵材质的耐海水腐蚀性至关重要，要慎重选择。本项目船坞主泵主要过流部件材质均选择双相不锈钢，文献［3］中详细介绍了海水介质水泵的材料选择，本处不多论述，具体选择如表3所示。

5现场运行效果

本项目船坞泵在公司取得CNAS认证的测试台进行了真机原速全性能测试，厂内测试台池深18m，轨高24m，水泵完全1∶1真机测试，各项指标合格后发货到现场。2021年5月，现场安装完成后顺利通过验收，并于当年投入运行，截至目前，运行效果良好，各项指标满足技术规格书要求。

6结论

通过该项目大型船坞主泵研发及使用，说明在大型斜流泵选型中采用选型系数法更加准确，所选水泵更能满足实际工程需要，选型软件的应用也大大提高了工作效率。同时，抽芯式水泵较普通型泵在解决了轴系稳定及可能存在旋转问题后优势明显，值得推广。

参考文献

［1］关醒凡．大中型低扬程泵选型手册［M］．北京：机械工业出版社，2019．

［2］关醒凡．现代泵技术手册［M］．北京：中国宇航出版社，1995．

［3］王玉心．海边电厂循环水泵材料选择研究［J］．通用机械，2017（11）：50－52，64．

作者:王玉心 单位:上海凯泉泵业（集团）有限公司