周偉豐，羅林峰，謝榮盛，錢 亨

(1.嘉興市杭嘉湖南排工程鹽官樞紐管理所(海寧河道站)，浙江 嘉興 314411；2.浙江省水利科技推廣服務(wù)中心，浙江 杭州 310012；3.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；4. 先進(jìn)水利裝備浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310018)

南排工程始建于20世紀(jì)70年代，是太湖治理十大骨干工程之一，歷年來已累計(jì)排放澇水約5.6×1010m3，在保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定方面重要作用。鹽官排澇樞紐是嘉興市杭嘉湖南排工程主要出海排澇口之一，為大(1)型工程，原安裝3800ZXQ-50-2.8型4臺(tái)斜15°軸伸泵機(jī)組，配TDXZ2000-4/1180型2 000 kW臥式同步電動(dòng)機(jī)4臺(tái)套。機(jī)組在運(yùn)行中先后出現(xiàn)軸向振動(dòng)超標(biāo)，電機(jī)與齒輪箱的連接端鼓齒聯(lián)軸器磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，在多次電機(jī)找正對(duì)中和轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡處理后，軸向振動(dòng)過大仍無法解決。現(xiàn)有大型泵站在更新改造后，泵站性能大幅提高，運(yùn)行穩(wěn)定性顯著改善，充分發(fā)揮工程效益[1-3]，具有較好的指導(dǎo)意義。通過多方查找最終確立從振動(dòng)源頭及振動(dòng)傳遞路徑入手，深入分析振動(dòng)超標(biāo)原因，并進(jìn)行了相應(yīng)工程改造，有效解決了振動(dòng)超標(biāo)問題。筆者結(jié)合鹽官排澇泵站機(jī)組大修改造前后分析對(duì)比，總結(jié)鹽官斜式泵站振動(dòng)核心問題所在，為大型水泵機(jī)組建設(shè)安裝及日常運(yùn)行管理提供參考。鹽官泵站更新改造后，主水泵及電機(jī)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 主水泵參數(shù)

表2 主電機(jī)參數(shù)

1 鹽官泵站機(jī)組振動(dòng)情況分析

1.1 改造前泵站機(jī)組振動(dòng)情況

2016年6月，鹽官泵站1#和2#機(jī)組相繼出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)。主要表現(xiàn)在主電機(jī)滑動(dòng)軸承軸向振動(dòng)超標(biāo)，特別是電機(jī)與齒輪箱兩處超標(biāo)嚴(yán)重。1#泵組電機(jī)內(nèi)河側(cè)軸承軸向位移峰值達(dá)到258.12 μm，遠(yuǎn)高于危險(xiǎn)值80 μm，速度有效值15.21 mm/s，遠(yuǎn)高于報(bào)警值7.1 mm/s;2#泵組電機(jī)內(nèi)河側(cè)軸承軸向位移峰值達(dá)到384.81 μm，遠(yuǎn)高于危險(xiǎn)值80 μm。2017年4月，4#機(jī)組也在類似部位開始出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)的情況。

1.2 泵站機(jī)組振動(dòng)原因分析

振動(dòng)是水泵機(jī)組較為常見的現(xiàn)象，究其原因，主要有機(jī)械因素、水力因素和電磁力因素[4]。水泵機(jī)組可視為多個(gè)零部件組合而成的彈性組合體，在外力驅(qū)動(dòng)下不可能絕對(duì)平衡，另外在負(fù)載端受力不均如流量和壓力脈動(dòng)、在輸入端受電機(jī)電磁力波動(dòng)的影響，水泵機(jī)組運(yùn)行過程中必然存在振動(dòng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)剛度阻尼不足或者振動(dòng)頻率與某部件的共振頻率接近時(shí)，振動(dòng)超出一定限度，對(duì)機(jī)組機(jī)械設(shè)備，甚至周圍建筑物都會(huì)帶來危害，嚴(yán)重時(shí)直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。雖然導(dǎo)致振動(dòng)發(fā)生的起因會(huì)有所不同，但各因素之間又相互聯(lián)系、相互影響。例如，當(dāng)水流作用力引起機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生振動(dòng)時(shí)，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙就會(huì)產(chǎn)生不均勻變化，而此不均衡的電磁力會(huì)進(jìn)一步加劇轉(zhuǎn)動(dòng)部件振動(dòng)，形成惡性循環(huán)，惡化水泵機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境。合理范圍內(nèi)的振動(dòng)值是允許的，當(dāng)振動(dòng)幅值超標(biāo)便會(huì)威脅機(jī)組設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在前期通過電機(jī)檢修基本排除了電磁因素，把振動(dòng)原因鎖定為水力因素及機(jī)械因素。通過增設(shè)壓力脈動(dòng)傳感器及相關(guān)振動(dòng)在線采集設(shè)備，聯(lián)合數(shù)值仿真計(jì)算，最終表明泵站機(jī)組振動(dòng)的原因主要為水泵水力性能下降及減速器共振。水泵葉輪的磨蝕導(dǎo)致性能下降及水位波動(dòng)引起水泵受力不均，波動(dòng)扭矩在傳遞至電動(dòng)機(jī)時(shí)引起減速器激振。通過多工況下的仿真分析發(fā)現(xiàn)軸流泵葉片扭矩波動(dòng)頻率與葉頻不符，隨著工況的改變而發(fā)生變化，且隨著揚(yáng)程增加、流量的減小波動(dòng)幅值逐漸增加，頻率逐漸減小，幅值增加。葉片表面從光滑變成粗糙之后，性能大幅下降，不同工況下水力損失增加明顯，葉片因氣蝕形成凹坑之后性能下降幅度大于葉片減少率。齒輪箱的加速度分布在不同部位，具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，加速度在齒輪之間傳遞。流道水流流態(tài)、水泵安裝高程等因素對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性也很重要。

1.3 改造措施

為了保證改造后機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，從多方面入手，重點(diǎn)提升水泵運(yùn)行環(huán)境及水泵運(yùn)行性能，優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量、改善葉輪工作工況、提高加工制造質(zhì)量等一系列措施。在保留基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化，減小葉輪直徑，增加葉頂淹深，更新主電機(jī)、齒輪箱、葉輪等機(jī)電設(shè)備，增設(shè)液壓全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改善運(yùn)行工況，改善運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.3.1 鹽官泵站改造對(duì)流道進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)流道出口分隔墩進(jìn)行延長(zhǎng)，采用C30W4 F100混凝土進(jìn)行澆筑，對(duì)左、右出口流道采用壁厚20 mm的16MnR鋼板進(jìn)行全斷面內(nèi)襯，進(jìn)、出水流道均做優(yōu)化處理。進(jìn)水流道部分除進(jìn)水流道底板不做調(diào)整外，進(jìn)水流道與進(jìn)水底座連接段的混凝土流道根據(jù)優(yōu)化流道型線尺寸進(jìn)行鑿除重新澆筑處理，進(jìn)水底座等埋設(shè)部件鑿除全新更換。出水流道部分：除了出水流道混凝土底板不做調(diào)整外，出水彎管段以及后續(xù)埋設(shè)的彎管段鑿除全新更換，出水流道頂板鑿除后根據(jù)優(yōu)化流道型線尺寸重新澆筑。解決左右兩孔偏流的問題，CFD計(jì)算顯示進(jìn)出水流道流態(tài)及泵裝置性能有所改善，鹽官泵站改造三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究成果見表3。

表3 流道數(shù)值計(jì)算結(jié)果

1.3.2 降低水泵安裝高度

泵組葉輪直徑由原來的3.8 m減小到3.65 m，同時(shí)可以降低水泵安裝高程0.25 m。因此改造后水泵安裝高程降低到-2.09 m，使水泵的葉輪頂點(diǎn)淹沒深度相應(yīng)地增加0.25 m，進(jìn)一步有利于汽蝕性能。水泵安裝高程直接關(guān)系到水泵在整個(gè)揚(yáng)程范圍內(nèi)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3.3 改善水泵核心部件材質(zhì)，提高加工質(zhì)量

為了適應(yīng)高揚(yáng)程工況下泵組的正常運(yùn)行，需要采用比轉(zhuǎn)速較低，適合于較高揚(yáng)程運(yùn)行的水力模型，重新制造水泵葉輪。葉片材質(zhì)為不銹鋼，采用數(shù)控加工工藝，保證葉片型線、表面波浪度、粗糙度及各葉片重量差等重要質(zhì)量指標(biāo)，從而提高水泵的水力性能、運(yùn)行穩(wěn)定性及延長(zhǎng)使用壽命。

1.3.4 增設(shè)液壓全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，確保水泵較好工況運(yùn)行

本泵站揚(yáng)程范圍為0.3～6.41 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hsj=2.97 m，Hmax/Hsj=2.16。泵站揚(yáng)程范圍大，且最高揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程的比值較大，設(shè)置水泵葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以在高揚(yáng)程時(shí)減小葉片角度，降低水泵軸功率，進(jìn)而降低電動(dòng)機(jī)額定功率。另外,葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以改善泵組的運(yùn)行工況，如發(fā)現(xiàn)某臺(tái)泵組的壓力脈動(dòng)等增高，超過報(bào)警值，說明此時(shí)水泵工作狀態(tài)變差，便可通過液壓全調(diào)對(duì)該水泵進(jìn)行槳葉調(diào)節(jié)。

1.4 泵站改造后機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

1.4.1 改造后機(jī)組水力性能分析

通過系列綜合改造后，模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在葉片角度分別為-8°，-6°，-4°，-2°，0°，+2°時(shí)，泵裝置最高效率分別為 75.72%,76.17%,75.97%,75.79%,75.53%,75.14%。通過增加轉(zhuǎn)速，不僅使得裝置的高效區(qū)域變寬，同時(shí)增加淹沒深度，鹽官斜式軸流泵裝置水力性能在多工況下均有較大性能提升[7-8]，實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于改造前，改造成效顯著。

1.4.2 改造后機(jī)組振動(dòng)情況分析

鹽官泵站更新改造后對(duì)主機(jī)組安裝了在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 泵站機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)對(duì)4臺(tái)水泵機(jī)組2021年7月—2022年3月運(yùn)行期間各主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)泵站機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)幅值較低，各項(xiàng)振動(dòng)均降低至安全閥值以下；各部件各測(cè)點(diǎn)頻譜表現(xiàn)特征頻率均符合機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無其他異常擾頻成分，機(jī)組葉輪及其他部件未表現(xiàn)有明顯損傷的跡象；運(yùn)行噪聲也很大程度降低，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定泵組運(yùn)行最大噪音為84 dB，最低噪音為80 dB，機(jī)組整體運(yùn)行穩(wěn)定性良好。自泵站更新改造運(yùn)行以來，泵站在2020年超長(zhǎng)梅汛和2021年“煙花”臺(tái)汛中發(fā)揮了重要的作用。以1#機(jī)組為例進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，主要代表性測(cè)點(diǎn)改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表4，可見振動(dòng)改善明顯。

表4 1#機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)

3 泵站機(jī)組振動(dòng)防范應(yīng)對(duì)措施

3.1 嚴(yán)格把控制造、安裝質(zhì)量

水泵的葉輪過流表面粗糙度、主要部件實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的允許偏差等應(yīng)符合規(guī)范要求，間隙配合情況符合設(shè)計(jì)要求，同一個(gè)輪轂上所有葉片的安放角應(yīng)一致。電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的空隙間隙值符合要求，振動(dòng)數(shù)值符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于采用新模型的主水泵出廠前宜進(jìn)行不少于1臺(tái)真機(jī)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目應(yīng)包括水泵裝配及調(diào)節(jié)情況、流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、軸功率、效率、氣蝕余量、振動(dòng)、噪聲和溫度等參數(shù)，測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

水泵主軸與齒輪箱、齒輪箱與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器同心同軸度應(yīng)嚴(yán)格符合安裝允許偏差，水導(dǎo)軸承、推力組合軸承、電動(dòng)機(jī)軸承等主要支撐軸承安裝應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)。軸承座的安裝應(yīng)按機(jī)組固定部件的實(shí)際中心調(diào)整軸孔的中心外，軸孔中心高程還應(yīng)將機(jī)組運(yùn)行時(shí)主軸撓度和軸承座支撐變形值及由于潤(rùn)滑油膜的形成引起的主軸徑向位移值計(jì)算在內(nèi)。在需要加墊調(diào)整軸承座時(shí)，所加墊片不應(yīng)超過3片，且墊片應(yīng)穿過基礎(chǔ)螺栓。

3.2 合理使用運(yùn)行工況

盡量避免在進(jìn)水池水位低于最低運(yùn)行水位下運(yùn)行，以防氣蝕產(chǎn)生振動(dòng)。利用液壓全調(diào)節(jié)葉片裝置，根據(jù)水泵裝置揚(yáng)程變化改變?nèi)~片安裝角度。實(shí)際操作使用時(shí)根據(jù)具體情況可采用水位揚(yáng)程模式，必要時(shí)按照裝置性能曲線或經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)模式調(diào)節(jié)葉片，以避免水泵在馬鞍區(qū)運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)，使水泵在高效區(qū)運(yùn)行。遇出水池口門淤積嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)清淤保持流道暢通，避免啟動(dòng)時(shí)功率大、振動(dòng)大甚至引起啟泵失敗。運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意及時(shí)清理進(jìn)水池?cái)r污柵雜物，以免引起空蝕振動(dòng)。

3.3 及時(shí)規(guī)范運(yùn)行維護(hù)

加強(qiáng)維護(hù)管理，對(duì)機(jī)組軸線對(duì)稱中精度定期檢測(cè)，對(duì)水泵葉片間隙、導(dǎo)軸承間隙定期測(cè)量，對(duì)緊固件檢查緊固，對(duì)軸承、聯(lián)軸器定期進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)使設(shè)備處于良好狀態(tài)[2]。利用在線監(jiān)測(cè)結(jié)合人工巡查加強(qiáng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，人工巡查關(guān)注如葉輪外殼、電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、推力組合軸承處等核心部位振動(dòng)、異響，可以彌補(bǔ)在線監(jiān)測(cè)時(shí)測(cè)振點(diǎn)布置不全及損化、報(bào)警值設(shè)置不當(dāng)、傳感器失靈、監(jiān)測(cè)裝置精度等問題。在線監(jiān)測(cè)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，開展機(jī)組故障診斷分析，可以有效地解決傳統(tǒng)故障診斷和維修中存在的問題，通過以上措施[3]，提高診斷的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

4 結(jié) 語

近幾年，浙江省大力加強(qiáng)維護(hù)管理大型泵站，特別是隨著泵站功能的提升拓寬、由單一防洪排澇升級(jí)為排澇、引調(diào)水改善生態(tài)環(huán)境等，泵站的使用時(shí)間大大增加，同時(shí)也對(duì)泵站的安全穩(wěn)定性提出了更高要求。泵站機(jī)組在運(yùn)行期間出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，輕則影響相關(guān)構(gòu)件使用壽命，重則影響工程運(yùn)行安全，筆者通過鹽官排澇泵站機(jī)組大修改造前后分析對(duì)比，提出改造措施，降低振動(dòng)成效明顯，建議在水泵制造安裝、運(yùn)行維護(hù)中采取防范振動(dòng)應(yīng)對(duì)措施，為大型水泵機(jī)組建設(shè)安裝及日常運(yùn)行管理提供參考。