某泵站水泵機(jī)組振幅超標(biāo)原因分析

李縣林

(中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

水泵機(jī)組的振動問題是泵站運(yùn)行管理過程中的重點(diǎn)關(guān)注問題，水泵機(jī)組產(chǎn)生的異常振動，不僅影響水泵的運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)還會因振動過大而危害工程安全。本文結(jié)合工程實(shí)例，從水泵裝置模型試驗(yàn)、現(xiàn)場檢測選取的揚(yáng)程工況、現(xiàn)場檢測時(shí)的水流流態(tài)等多個(gè)方面分析研究了引起水泵機(jī)組振幅超標(biāo)的原因，希望引起更多工程建設(shè)者及管理者對此類問題的重視。

1 工程概況

某泵站設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h暴雨1 d排干、區(qū)內(nèi)不成災(zāi)。泵站設(shè)計(jì)排澇流量為60 m3/s，設(shè)計(jì)總裝機(jī)3臺，總裝機(jī)容量為3 000 kW，是一宗工程等別為Ⅱ等、規(guī)模為大(2)型的排澇泵站。工程主要任務(wù)以防洪潮、排澇為主，并結(jié)合改善圍內(nèi)水環(huán)境，工程于2011年12月開工建設(shè)，2013年12月完工。

泵站采用3臺2400ZLQ20.2-2.6型立式全調(diào)節(jié)軸流泵，其技術(shù)參數(shù)為：Q=20.2 m3/s，H=2.6 m，n=166.7 r/min。配套同步電機(jī)型號為TL1000-36/2 600型1 000 kW立式同步電動機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：額定功率為1 000 kW，額定電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為166.7 r/min。泵站的運(yùn)行水位組合及特征揚(yáng)程見表1。

表1 泵站特征水位及揚(yáng)程

泵站主要建筑物自內(nèi)河向外河有引渠、清污檢修橋、前池、進(jìn)水池、泵房、出水箱涵及防洪閘、出口消力池、海漫等[1]。泵站布置示意見圖1。

圖1 泵站布置示意

泵站自2013年12月完工投入運(yùn)行以來，在凈揚(yáng)程小于1 m，且葉片正角度運(yùn)行時(shí)，水泵層水泵轉(zhuǎn)輪室旁邊可以聽到類似放炮竹的噪音，葉片正角度越大，噪音越大，將水泵的葉片角度調(diào)小，噪音減小。2016年9月建設(shè)單位對機(jī)組進(jìn)行了振動現(xiàn)場檢測。

注：最低凈揚(yáng)程按出水池為最低運(yùn)行水位，進(jìn)水池水位與出水池水位相同為0 m，水位差為0 m計(jì)算。

2 機(jī)組振動現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制的DASPV10便攜式模態(tài)測試系統(tǒng)，設(shè)備配置：DASP V10專業(yè)版數(shù)據(jù)采集與信號處理軟件、INV3018C型24位智能信號采集處理分析儀和INV9828 ICP型加速度傳感器[2]。

根據(jù)《泵的振動測量與評價(jià)方法》(GB/T 29531—2013)條款規(guī)定，泵非旋轉(zhuǎn)件的振動測量應(yīng)在泵的軸承箱(軸承座)或靠近軸承處進(jìn)行，因此，水泵機(jī)組振動檢測點(diǎn)布置在靠近水泵上水導(dǎo)軸承的主軸密封處(見圖2)。根據(jù)規(guī)范條款規(guī)定，每個(gè)測點(diǎn)要在3個(gè)互相垂直的方向進(jìn)行振動測量，因此在水泵主軸密封處安裝3只INV9828 ICP型加速度傳感器，分別位于X、Y、Z3個(gè)互相垂直的測量方向，其中水平垂直水流方向?yàn)閄方向；水平沿水流方向?yàn)閅方向；垂直水平方向?yàn)閆方向。

在每一測試工況開始時(shí)與其他參數(shù)同步檢測，使用軟件的“手動觸發(fā)”功能，在機(jī)組每一工況下測量1次，每次采集200 s。使用DASP軟件的AVD功能將傳感器加速度信號積分為速度信號，反映出測點(diǎn)的振動速度大小。

本次機(jī)組振動現(xiàn)場檢測按照《泵的振動測量與評價(jià)方法》(GB/T 29531—2013)的要求進(jìn)行測點(diǎn)布置，所有的測量儀器、儀表都經(jīng)國家認(rèn)可的計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定，取得檢定合格證書，并處于檢定有效期內(nèi)，檢測方法及參數(shù)的確定合理、科學(xué)。

機(jī)組振動按照《泵的振動測量與評價(jià)方法》(GB/T 29531—2013)及《泵站設(shè)備安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(SL 317—2015)的要求，每個(gè)測點(diǎn)分為空間中3個(gè)方向，分別為：X方向、Y方向、Z方向。1#水泵機(jī)組振動檢測時(shí)的凈揚(yáng)程工況從1.18～0.30 m；2#水泵機(jī)組振動檢測時(shí)的凈揚(yáng)程工況從1.11～0.31 m；3#水泵機(jī)組振動檢測時(shí)的凈揚(yáng)程工況從0.24～1.13 m；每臺機(jī)組均檢測6個(gè)凈揚(yáng)程工況。3臺機(jī)組實(shí)測的水泵機(jī)組振動檢測值見表2。

表2 水泵機(jī)組振動檢測值 mm

1#機(jī)組檢測6個(gè)工況，實(shí)測振幅最大值為0.114 mm(X方向，相應(yīng)凈揚(yáng)程為1.0 m)，振動頻率為50 Hz；2#機(jī)組檢測6個(gè)工況，實(shí)測振幅最大值為0.186 mm(X方向，相應(yīng)凈揚(yáng)程為揚(yáng)程0.65 m和0.31 m)，振動頻率為25 Hz；3#機(jī)組檢測6個(gè)工況，實(shí)測振幅最大值為0.149 mm(X方向，相應(yīng)凈揚(yáng)程為0.24 m)，振動頻率為41.5 Hz。3臺機(jī)組水平垂直水流方向的X方向振幅超過了《泵站設(shè)備安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(SL 317—2015)要求的振幅限值0.09 mm，其余的水平沿水流方向的Y方向、垂直水平方向的Z方向振幅小于規(guī)范要求的振幅限值0.09 mm。

3 引起機(jī)組振幅超標(biāo)的原因分析

3.1 從水泵裝置方面分析

本泵站在建設(shè)過程中由江蘇大學(xué)流體機(jī)械質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)中心有限公司進(jìn)行了裝置模型試驗(yàn)，分別進(jìn)行水泵裝置能量試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、飛逸特性試驗(yàn)。

1) 從水泵葉輪最小淹沒深度方面分析

裝置模型空化試驗(yàn)在閉式試驗(yàn)臺上進(jìn)行，裝置模型空化試驗(yàn)的葉片角度為-6°、-4°、-2°、0°、+2° 共5個(gè)角度。試驗(yàn)按有關(guān)規(guī)程規(guī)范，采用效率下降的方法測試：試驗(yàn)在每個(gè)角度的5個(gè)流量點(diǎn)下進(jìn)行該工況點(diǎn)測試，測量工況點(diǎn)數(shù)大于10個(gè)，在試驗(yàn)曲線變化較大的區(qū)域加密試驗(yàn)點(diǎn)，取水泵效率下降1%時(shí)的汽蝕余量作為臨界汽蝕余量NPSHc，試驗(yàn)測得最小臨界汽蝕余量NPSHc為10.00 m[3]。

水泵葉輪最小淹沒深度hg按下列公式計(jì)算：

(1)

[NPSH]=K·NPSHc,且[NPSH]≥NPSHc+1 m

(2)

式中 [NPSH]為許用氣蝕余量；K為氣蝕安全余量系數(shù)，一般取K=1.10～1.30[4]，臨界氣蝕余量小則氣蝕安全余量系數(shù)取大值，反之取小值，本次取K=1.15。經(jīng)計(jì)算hg為1.90 m，設(shè)計(jì)采用的hg為2.00 m，滿足要求，由此判斷機(jī)組振幅超標(biāo)不是由于水泵葉輪最小淹沒深度不足引起。

進(jìn)水流道進(jìn)口上緣高程為-1.50 m，淹沒在最低運(yùn)行水位以下1.00 m，滿足進(jìn)口上緣應(yīng)淹沒在進(jìn)水池最低運(yùn)行水位以下至少0.5 m的要求，由此判斷機(jī)組振幅超標(biāo)不是由于進(jìn)口上緣最小淹沒深度不足引起。

2) 從水泵流量方面分析

由江蘇大學(xué)流體機(jī)械質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)中心有限公司分別進(jìn)行水泵裝置能量試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、飛逸特性試驗(yàn)[5]。經(jīng)水泵裝置模型試驗(yàn)?zāi)芰吭囼?yàn)換算得出的原型泵(葉片角ψ=0°，n=166.7 r/min，D=2 400 mm)裝置綜合性能表見表3。

表3 原型泵(葉片角ψ=0°)裝置綜合性能

由原型泵(葉片角ψ=0°)裝置綜合性能表可以查出裝置模型試驗(yàn)采用的水力模型換算得出的原型泵在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程及最高凈揚(yáng)程工況的單機(jī)流量。水泵主要性能參數(shù)比較見表4。

表4 水泵主要性能參數(shù)比較

由表4可知，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程工況設(shè)計(jì)要求的原型泵單機(jī)流量為20.2 m3/s，裝置模型試驗(yàn)采用的水力模型換算得出的原型泵設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程工況單機(jī)流量為26.82 m3/s，超流量32.77%；最高凈揚(yáng)程工況設(shè)計(jì)要求的原型泵單機(jī)流量為17.1 m3/s，裝置模型試驗(yàn)采用的水力模型換算得出的原型泵最高凈揚(yáng)程工況單機(jī)流量為22.81 m3/s，超流量33.39%。水泵生產(chǎn)制造廠家按照裝置模型試驗(yàn)采用的水力模型生產(chǎn)制造出的原型泵流量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求的原型泵流量，由于土建的進(jìn)出水流道尺寸及水泵泵體的過流尺寸還是按照原來設(shè)計(jì)要求的原型泵流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致過流斷面的流速遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)要求的流速，流速的增加導(dǎo)致了進(jìn)出水流道及水泵泵體不良流態(tài)的產(chǎn)生，加劇了水泵的汽蝕，從而加劇了機(jī)組振動。

3.2 從現(xiàn)場檢測時(shí)的凈揚(yáng)程工況方面分析

由于泵站的現(xiàn)場條件限制，機(jī)組振動檢測時(shí)進(jìn)出水池水位差即凈揚(yáng)程0.24～1.18 m，而水泵的實(shí)際設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.79m，檢測時(shí)的凈揚(yáng)程偏離實(shí)際設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程較大，造成水泵在超低揚(yáng)程工況點(diǎn)運(yùn)行[6]，流量大大超過原設(shè)計(jì)流量，從而導(dǎo)致水泵性能狀態(tài)不佳，引起實(shí)測振動超過規(guī)范要求的振動限值。

3.3 從現(xiàn)場檢測干擾因素方面分析

本次現(xiàn)場檢測進(jìn)行了水泵流量測試，根據(jù)該泵站的現(xiàn)場條件，本次測試采用流速儀法。測流斷面尺寸及流速測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 測流斷面流速測點(diǎn)布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

在進(jìn)行機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時(shí)，同時(shí)進(jìn)行水泵流量測試，流速儀螺旋槳及固定螺旋槳的框架及橫梁位于泵站流道進(jìn)口檢修門槽內(nèi)，對機(jī)組的流態(tài)造成干擾，導(dǎo)致了不良流態(tài)的產(chǎn)生，加劇了水泵的汽蝕，從而加劇了機(jī)組振動[7]。

3.4 從進(jìn)水池水流流態(tài)方面分析

從泵站布置示意圖可以看出，為了使進(jìn)水池兩側(cè)的鉆孔灌注樁排樁擋墻穩(wěn)定，在鉆孔灌注樁排樁擋墻頂部設(shè)置了砼冠梁，在砼冠梁之間設(shè)置了6根垂直水流方向的砼對撐橫梁。由于泵站進(jìn)水池垂直水流方向跨度達(dá)23～30 m，對撐橫梁跨度較大，在進(jìn)水池中間設(shè)有6根支撐對撐橫梁的圓形立柱，直徑為1 m，立柱順?biāo)鞣较蜷g距為5 m。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)6根立柱造成前池水流流態(tài)紊亂，特別是機(jī)組不對稱開機(jī)運(yùn)行時(shí)，前池水流流態(tài)更加紊亂。據(jù)機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時(shí)的觀察，進(jìn)水前池及進(jìn)水流道進(jìn)口有漩渦形成，造成機(jī)組汽蝕，同時(shí)在水泵層水泵轉(zhuǎn)輪室邊上可以明顯聽到啪啪的汽蝕噪音。

4 引起機(jī)組振動超標(biāo)的原因

低揚(yáng)程大流量立式軸流泵的振動原因比較復(fù)雜，該泵站水泵機(jī)組現(xiàn)場檢測機(jī)組振動幅值超過規(guī)范限值原因主要有以下幾個(gè)方面：

1) 從水流流態(tài)來看，水流從進(jìn)水到出水，有兩個(gè)90°拐彎，容易產(chǎn)生脫流，因而出現(xiàn)壓力脈動導(dǎo)致產(chǎn)生振動，這是由泵站的型式?jīng)Q定的，是不可避免的。

2) 水泵生產(chǎn)制造廠家按照裝置模型試驗(yàn)采用的水力模型生產(chǎn)制造出的原型泵流量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求的流量，超流量嚴(yán)重，運(yùn)行時(shí)的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)工況流量有較大的偏差，當(dāng)偏差超過+20%時(shí)，原流道與流量不匹配使流速過大產(chǎn)生流道過水?dāng)嗝媪魉俨痪鶆蛞l(fā)振動。

3) 根據(jù)以往運(yùn)行情況，大部分實(shí)際的運(yùn)行揚(yáng)程低于設(shè)計(jì)揚(yáng)程，運(yùn)行流量偏大，屬于偏工況運(yùn)行誘發(fā)振動。

4) 水流經(jīng)過葉片、導(dǎo)葉體等過流部件時(shí)，存在固液耦合壓力脈動情況。

5) 由于泵站的現(xiàn)場條件限制，檢測時(shí)的凈揚(yáng)程偏離實(shí)際設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程較大，造成水泵沒有在最優(yōu)工況點(diǎn)運(yùn)行[6]，從而導(dǎo)致水泵性能狀態(tài)不佳，引起實(shí)測振動幅值超過規(guī)范要求的振動限值。

6) 機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時(shí)，檢測不規(guī)范，對機(jī)組的流態(tài)造成干擾，導(dǎo)致了不良流態(tài)的產(chǎn)生，加劇了水泵的汽蝕，從而加劇了機(jī)組振動[7]。

7) 前池內(nèi)的立柱造成前池水流流態(tài)紊亂，進(jìn)水前池及進(jìn)水流道進(jìn)口有漩渦形成，造成機(jī)組汽蝕。

5 結(jié)語

本文通過分析水泵裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢測時(shí)的水流流態(tài)，分析了可能引起某泵站水泵機(jī)組現(xiàn)場檢測時(shí)實(shí)測振動幅值超過規(guī)范限值的原因，提出了在類似泵站機(jī)組建設(shè)及振動檢測中應(yīng)注意的問題，得出以下建議：

1) 低揚(yáng)程大流量軸流泵設(shè)計(jì)時(shí)建議選用合適的進(jìn)出水流道，減少大角度的拐彎。

2) 水泵生產(chǎn)制造廠家選用的水力模型，通過裝置模型試驗(yàn)結(jié)果換算的水泵原型裝置流量不應(yīng)大于水泵設(shè)計(jì)流量的+10%。

3) 合理選擇水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，避免設(shè)計(jì)揚(yáng)程與實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程偏差過大。

4) 水泵過流部件應(yīng)按高精度零件加工制作，提高水泵的抗汽蝕性能[9]。

5) 應(yīng)選用與實(shí)際運(yùn)行相符合的揚(yáng)程工況點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組振動現(xiàn)場檢測。

6) 機(jī)組振動現(xiàn)場檢測時(shí)應(yīng)規(guī)范檢測，避免人為造成干擾因素。

7) 大中型泵站建設(shè)過程中應(yīng)對泵站總體布置的進(jìn)出水流態(tài)進(jìn)行CFD優(yōu)化計(jì)算研究。

8) 大型泵站建設(shè)過程中有條件時(shí)應(yīng)對泵站總體布置的進(jìn)出水流態(tài)進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化進(jìn)出水流態(tài)。

9) 應(yīng)采用抗汽蝕性能好的水力模型，提高水泵的抗汽蝕性能[8]。