盛維高,戴啟璠,祁國(guó)虎
(1.江蘇省灌溉總渠管理處,江蘇 淮安 223001;2.江蘇省淮沭新河管理處,江蘇 淮安 223001)
大型低揚(yáng)程泵站流量大、揚(yáng)程低,運(yùn)行過(guò)程中常常會(huì)伴隨著振動(dòng)和噪聲[1],振動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致水泵機(jī)組部件和泵站結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[2],超標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)噪聲給泵站運(yùn)行人員、儀器和設(shè)備均帶來(lái)危害,葉片區(qū)的水力激振[3]、葉片汽蝕[4]和機(jī)械摩擦等都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。
張付林等[5]對(duì)雙向軸伸泵反向運(yùn)行的流動(dòng)和振動(dòng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明反向運(yùn)行時(shí)振動(dòng)加速度峰值隨流量的減小先減后增。蔣紅櫻等[6]對(duì)潛水貫流泵站噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)泵站各個(gè)工作面噪聲分布特征明顯,超標(biāo)噪聲主要集中在低頻,該研究為泵站噪聲研究及后期治理提供了依據(jù)。李揚(yáng)等[7]對(duì)立式全調(diào)節(jié)軸流泵進(jìn)行多工況、多測(cè)點(diǎn)、多振動(dòng)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),葉頻受流量的影響明顯,葉頻脈動(dòng)對(duì)水泵傳動(dòng)端軸承座徑向垂直和徑向水平方向振動(dòng)都有影響,徑向水平方向振動(dòng)受葉頻脈動(dòng)影響程度更大。張世杰等[8]對(duì)雙吸離心泵泵站的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的主要激勵(lì)源為動(dòng)靜干涉效應(yīng),并對(duì)脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。陳洋[9]以某立式潛水軸流泵站為例,分析其簸箕型進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)及水泵吸水管各斷面流速分布,提出了消渦改造方案。于孝民等[10]在大型泵站噪聲源的基礎(chǔ)上分析,提出對(duì)設(shè)備制造的要求,采用電動(dòng)機(jī)和葉輪外殼隔音措施及空間布置隔音材料等方法對(duì)噪聲進(jìn)行治理。
淮陰二站為南水北調(diào)東線(xiàn)第三級(jí)抽水站,承擔(dān)向洪澤湖和淮北地區(qū)補(bǔ)水的任務(wù),該站經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行,機(jī)組的振動(dòng)及噪聲明顯變大。本文以淮陰第二抽水站為研究對(duì)象,對(duì)泵站機(jī)組振動(dòng)和噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值分析,研究機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)并提出改善措施。
淮陰二站為大(2)型泵站工程,設(shè)計(jì)流量100 m3/s,設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.4 m。設(shè)計(jì)安裝3 臺(tái)3.1ZLQ-5 型立式軸流泵,配用TLW2800-40/3250 型同步電動(dòng)機(jī),總裝機(jī)容量為8 400 kW。采用肘形進(jìn)水流道,虹吸式出水流道。
主水泵選用3.1ZLQ-5 全調(diào)節(jié)軸流泵。3#機(jī)組葉片與葉輪室間隙不均勻,采用厚薄規(guī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,葉片與葉輪室間隙最大值6.20 mm,最小值1.60 mm。3#水泵水導(dǎo)軸頸磨損嚴(yán)重,采用外徑千分尺實(shí)測(cè)最大磨損值29.48 mm。葉輪表面汽蝕嚴(yán)重,有導(dǎo)葉片尾部局部缺損。主電機(jī)選用TLW2800-40/3250,于2002 年投入運(yùn)行,轉(zhuǎn)子絕緣可靠性差,每次開(kāi)機(jī)都要烘烤繞阻,定子、轉(zhuǎn)子也不同程度老化,絕緣性降低。2#機(jī)組定子測(cè)溫傳感器損壞,下油缸有輕微滲油現(xiàn)象,運(yùn)行葉片角度在-6°情況下會(huì)出現(xiàn)葉片角度指針上下浮動(dòng)現(xiàn)象,調(diào)整至-5°則消失。3 臺(tái)主機(jī)組尾端電流互感器表面均有不同程度龜裂,3 臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁機(jī)整流盤(pán)部分功能模塊老化,由于機(jī)組震動(dòng)偏大,長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致整流盤(pán)緊固螺絲松動(dòng),易導(dǎo)致整流模塊損壞。
2016—2020 年抽水運(yùn)行實(shí)測(cè)上下游水位情況見(jiàn)表1。上游多年平均水位11.33 m,下游多年平均水位9.29 m,泵站近5年運(yùn)行平均凈揚(yáng)程2.04 m。
表1 淮陰二站近5年抽水運(yùn)行期上下游水位統(tǒng)計(jì)
根據(jù)淮陰二站水泵性能曲線(xiàn)可知水泵裝置運(yùn)行高效區(qū)揚(yáng)程為5.0~6.0 m,但泵站實(shí)際運(yùn)行凈揚(yáng)程僅2.04 m,因此水泵實(shí)際偏離高效區(qū)運(yùn)行,這也使得機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定,是造成機(jī)組振動(dòng)、噪聲加大的原因之一。
淮陰第二抽水站正常抽水平均揚(yáng)程2.04 m 時(shí),根據(jù)機(jī)組運(yùn)行自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),1#、2#、3#機(jī)組(運(yùn)行葉片角度分別為-6°、-4°、-6°)平均輸入電功率分別為1 200 kW、1 500 kW、1 300 kW,根據(jù)原型泵性能曲線(xiàn),1#、2#、3#機(jī)組流量分別為32.1 m3/s、34.6 m3/s、32.1 m3/s,據(jù)此估算1#、2#、3#機(jī)組裝置效率分別為52.4%、45.2%、48.5%。根據(jù)《泵站技術(shù)管理規(guī)程》要求,裝置揚(yáng)程為3.0~5.0 m軸流泵站的裝置效率不宜低于60%。裝置揚(yáng)程低于3.0 m 的軸流泵站不宜低于55%。
于2019 年11 月29 日 至2020 年1 月17 日 開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)及噪聲測(cè)量,測(cè)量設(shè)備采用GM63A 標(biāo)智測(cè)振儀、VICTOR824B 噪聲儀。監(jiān)測(cè)期間共出現(xiàn)54 測(cè)次的異常情況(振動(dòng)超過(guò)60 μm,噪聲超過(guò)90 dB),部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。其中1#機(jī)組振動(dòng)異常1 測(cè)次,噪聲異常38 測(cè)次;2#機(jī)組振動(dòng)異常4 測(cè)次,噪聲異常45 測(cè)次;3#機(jī)組振動(dòng)異常1 測(cè)次,噪聲異常42測(cè)次。
表2 機(jī)組振動(dòng)和噪聲部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
淮陰二站設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)間較早,受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件,使得泵站運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法達(dá)到先進(jìn)水平。該泵裝置設(shè)計(jì)水位和運(yùn)行水位存在偏差,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在大流量工況下,效率低,耗能大,易引發(fā)汽蝕與振動(dòng)。
各機(jī)組噪聲均大于90 dB,1#機(jī)組平均噪聲93.06 dB,2#機(jī)組平均噪聲93.73 dB,3#機(jī)組平均噪聲93.3 dB,其中1#機(jī)組噪聲最大差值為6.5 dB,均已超過(guò)規(guī)范要求。軸頸磨損、葉片磨損、機(jī)組異常移動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械摩擦是主要原因,由空化作用造成葉片破壞,過(guò)水不光滑,汽蝕加劇等同樣會(huì)造成噪聲、振動(dòng)變大。機(jī)械磨損與機(jī)械振動(dòng)相互影響,相互作用正向關(guān)聯(lián),機(jī)組振動(dòng)也是造成勵(lì)磁機(jī)整流盤(pán)問(wèn)題頻發(fā)的主要原因。
淮陰二站采用機(jī)械式全調(diào)節(jié)葉片機(jī)構(gòu),機(jī)械式葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中小軸受力不均勻,在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)撞擊大軸,導(dǎo)致上導(dǎo)偏磨,易發(fā)生卡澀或者油箱溫度升高現(xiàn)象,軸承箱內(nèi)軸承易損壞,機(jī)械式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝高度高,現(xiàn)場(chǎng)檢修難度大。2#機(jī)組噪聲、振動(dòng)均比1#、3#機(jī)組相對(duì)嚴(yán)重,2#機(jī)組運(yùn)行在-6°情況下會(huì)出現(xiàn)葉片角度指針上下浮動(dòng)現(xiàn)象,正是機(jī)械式葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的連桿、拐背在機(jī)組振動(dòng)摩擦等影響下造成了葉片指針上下浮動(dòng)。
機(jī)組振動(dòng)較大,均超過(guò)50 μm,無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。1#和3#機(jī)組振動(dòng)都不超過(guò)65 μm,最大差值小于10 μm。2#機(jī)組異常振動(dòng)最多,東西方向振動(dòng)幅值相等,南北方向相差明顯,可能是由于機(jī)組外殼南北方向安裝誤差或發(fā)生位移引起的,3#機(jī)組可能也是同樣的原因。
圖1為淮陰二站原型泵裝置三維圖?;搓幎颈醚b置由肘形流道、葉輪、導(dǎo)葉、虹吸式流道4 個(gè)部分共同構(gòu)成。其中,肘形流道與虹吸式流道在Creo6.0 中進(jìn)行三維建模并在ICEM-CFD 中進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。葉輪與導(dǎo)葉在TurboGrid 中進(jìn)行三維建模與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,葉輪在三維建模時(shí)考慮1 mm的葉頂間隙。
圖1 淮陰二站原型泵裝置三維圖
4.2.1 泵裝置特性
淮陰二站目前選用的水力模型以及原型泵參數(shù)導(dǎo)致泵裝置在葉片安放角為0°時(shí),設(shè)計(jì)揚(yáng)程下流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)流量,同時(shí)高效區(qū)范圍明顯偏向高揚(yáng)程方向,如果為了在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下降低泵裝置的流量,那么水泵的葉片安放角則必須向負(fù)角度偏移,這與原型泵段綜合特性曲線(xiàn)是相吻合的。
如果水泵以0°運(yùn)行時(shí),那么在設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)泵裝置的流量就會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)流量,而泵站的幾何尺寸是一定的,流量的增大必然導(dǎo)致泵裝置內(nèi)水流流速的增加,過(guò)大的流速則可能會(huì)在泵內(nèi)產(chǎn)生流動(dòng)分離所致的空化以及引起整個(gè)泵裝置的水力振動(dòng)。
4.2.2 基于Zwart模型的空化數(shù)值計(jì)算
基于Zwart 空化模型對(duì)泵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。為了對(duì)比分析水泵葉輪葉片上不同流線(xiàn)以及翼展的內(nèi)部流動(dòng)特性,從葉片輪轂側(cè)至葉片外緣側(cè)依次劃分3條流線(xiàn)(圖2)。
圖2 葉片表面流線(xiàn)位置示意
由設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)不同翼展葉道內(nèi)部流線(xiàn)可知,葉片外緣的流速大于靠近輪轂側(cè)的流速,根據(jù)伯努利方程可知,當(dāng)不考慮位能與水力損失時(shí)流速增大會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)降低,而壓強(qiáng)降低到一定值時(shí)流體會(huì)出現(xiàn)空化的現(xiàn)象。在葉片不同位置的流線(xiàn)上,葉輪葉片工作面的進(jìn)口邊流線(xiàn)均出現(xiàn)了脫流的情況,葉輪葉片工作面的進(jìn)水邊處出現(xiàn)了空腔。結(jié)合上述分析,淮陰二站泵裝置在葉片安放角為0°設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí),水泵葉輪葉片進(jìn)水邊工作面處有很大的可能性會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。
由葉片安放角為0°設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)水泵葉道內(nèi)氣泡體積分?jǐn)?shù)云圖可知,水泵葉輪葉片工作面上確實(shí)出現(xiàn)了片狀空化的現(xiàn)象。在進(jìn)口邊由于流速過(guò)大導(dǎo)致的流動(dòng)分離現(xiàn)象引起的空化從進(jìn)口邊一直延伸至50%~80%弦長(zhǎng)的位置,其中靠近輪轂側(cè)的流線(xiàn)要比靠近泵殼處的流線(xiàn)空化現(xiàn)象更為嚴(yán)重。
這里所述的流動(dòng)分離導(dǎo)致的空化是導(dǎo)致泵裝置發(fā)生水力振動(dòng)的根本原因,首先流動(dòng)分離現(xiàn)象發(fā)生在葉片的工作面,同時(shí)空化現(xiàn)象也發(fā)生在葉片工作面,這將直接影響到水泵對(duì)外做功的穩(wěn)定性,進(jìn)而直接導(dǎo)致整個(gè)泵裝置的水力振動(dòng)。
綜上所述,當(dāng)淮陰二站泵裝置處于葉片安放角為0°設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí),產(chǎn)生的水力振動(dòng)是由于流量過(guò)大導(dǎo)致葉片進(jìn)水邊產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象,進(jìn)而在葉片工作面產(chǎn)生了空化現(xiàn)象所導(dǎo)致的。
4.2.3 空化的非定常數(shù)值計(jì)算
空化非定常數(shù)值計(jì)算以空化定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果為初始狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,非定常數(shù)值計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為0.0011 s,即水泵葉輪每旋轉(zhuǎn)1°計(jì)算1 次全流場(chǎng),總時(shí)間為8 s,即水泵葉輪旋轉(zhuǎn)20圈的歷時(shí)。為了排除數(shù)值計(jì)算剛開(kāi)始時(shí)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性,以最后一圈的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。
由水泵葉輪葉片氣泡體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化可知,不同時(shí)刻下,葉片工作面進(jìn)水邊的氣泡較為穩(wěn)定,在空泡區(qū)域的尾部,隨著時(shí)間的推移空泡有規(guī)律地從空泡區(qū)脫落、潰滅,并在尾部形成較小的旋渦區(qū)。
淮陰二站正常運(yùn)行期間上下游水位分別為9.2 m、11.3 m左右,主電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率為1 300 kW左右,機(jī)組汽蝕震動(dòng),磨損嚴(yán)重,能耗較高,效率較低。
(1)數(shù)值分析表明,流量較大將會(huì)導(dǎo)致水泵葉輪葉片工作面的進(jìn)口邊產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象,進(jìn)一步導(dǎo)致工作面發(fā)生空化現(xiàn)象,這是導(dǎo)致水泵產(chǎn)生水力振動(dòng)的直接原因。
(2)改進(jìn)機(jī)械式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為油壓內(nèi)置式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),降低調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝高度,提高裝置可靠性,使檢修變得快捷。
(3)建議結(jié)合實(shí)際工況合理選擇泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程,使泵裝置能長(zhǎng)期運(yùn)行在高效區(qū)附近,減小汽蝕的危害。選擇合適的更優(yōu)秀的泵水力模型,結(jié)合進(jìn)出水流道進(jìn)行泵站裝置模型優(yōu)化,從而保證水泵裝置在運(yùn)行區(qū)內(nèi)的抽水效率不低于76%。