周伟丰，罗林峰，谢荣盛，钱 亨

(1.嘉兴市杭嘉湖南排工程盐官枢纽管理所(海宁河道站)，浙江 嘉兴 314411；2.浙江省水利科技推广服务中心，浙江 杭州 310012；3.浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018；4. 先进水利装备浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310018)

南排工程始建于20世纪70年代，是太湖治理十大骨干工程之一，历年来已累计排放涝水约5.6×1010m3，在保障国民经济安全稳定方面重要作用。盐官排涝枢纽是嘉兴市杭嘉湖南排工程主要出海排涝口之一，为大(1)型工程，原安装3800ZXQ-50-2.8型4台斜15°轴伸泵机组，配TDXZ2000-4/1180型2 000 kW卧式同步电动机4台套。机组在运行中先后出现轴向振动超标，电机与齿轮箱的连接端鼓齿联轴器磨损严重的现象，在多次电机找正对中和转子动平衡处理后，轴向振动过大仍无法解决。现有大型泵站在更新改造后，泵站性能大幅提高，运行稳定性显著改善，充分发挥工程效益[1-3]，具有较好的指导意义。通过多方查找最终确立从振动源头及振动传递路径入手，深入分析振动超标原因，并进行了相应工程改造，有效解决了振动超标问题。笔者结合盐官排涝泵站机组大修改造前后分析对比，总结盐官斜式泵站振动核心问题所在，为大型水泵机组建设安装及日常运行管理提供参考。盐官泵站更新改造后，主水泵及电机参数如表1和表2所示。

表1 主水泵参数

表2 主电机参数

1 盐官泵站机组振动情况分析

1.1 改造前泵站机组振动情况

2016年6月，盐官泵站1#和2#机组相继出现振动超标。主要表现在主电机滑动轴承轴向振动超标，特别是电机与齿轮箱两处超标严重。1#泵组电机内河侧轴承轴向位移峰值达到258.12 μm，远高于危险值80 μm，速度有效值15.21 mm/s，远高于报警值7.1 mm/s;2#泵组电机内河侧轴承轴向位移峰值达到384.81 μm，远高于危险值80 μm。2017年4月，4#机组也在类似部位开始出现振动超标的情况。

1.2 泵站机组振动原因分析

振动是水泵机组较为常见的现象，究其原因，主要有机械因素、水力因素和电磁力因素[4]。水泵机组可视为多个零部件组合而成的弹性组合体，在外力驱动下不可能绝对平衡，另外在负载端受力不均如流量和压力脉动、在输入端受电机电磁力波动的影响，水泵机组运行过程中必然存在振动。当结构的基础刚度阻尼不足或者振动频率与某部件的共振频率接近时，振动超出一定限度，对机组机械设备，甚至周围建筑物都会带来危害，严重时直接影响机组的安全运行。虽然导致振动发生的起因会有所不同，但各因素之间又相互联系、相互影响。例如，当水流作用力引起机组转动部件发生振动时，电机定、转子间的气隙就会产生不均匀变化，而此不均衡的电磁力会进一步加剧转动部件振动，形成恶性循环，恶化水泵机组的运行环境。合理范围内的振动值是允许的，当振动幅值超标便会威胁机组设备安全稳定运行。

在前期通过电机检修基本排除了电磁因素，把振动原因锁定为水力因素及机械因素。通过增设压力脉动传感器及相关振动在线采集设备，联合数值仿真计算，最终表明泵站机组振动的原因主要为水泵水力性能下降及减速器共振。水泵叶轮的磨蚀导致性能下降及水位波动引起水泵受力不均，波动扭矩在传递至电动机时引起减速器激振。通过多工况下的仿真分析发现轴流泵叶片扭矩波动频率与叶频不符，随着工况的改变而发生变化，且随着扬程增加、流量的减小波动幅值逐渐增加，频率逐渐减小，幅值增加。叶片表面从光滑变成粗糙之后，性能大幅下降，不同工况下水力损失增加明显，叶片因气蚀形成凹坑之后性能下降幅度大于叶片减少率。齿轮箱的加速度分布在不同部位，具有很强的关联性，加速度在齿轮之间传递。流道水流流态、水泵安装高程等因素对机组运行稳定性也很重要。

1.3 改造措施

为了保证改造后机组安全稳定运行，从多方面入手，重点提升水泵运行环境及水泵运行性能，优化流道结构及现场安装质量、改善叶轮工作工况、提高加工制造质量等一系列措施。在保留基础结构的基础上，对流道进行优化，减小叶轮直径，增加叶顶淹深，更新主电机、齿轮箱、叶轮等机电设备，增设液压全调节机构改善运行工况，改善运行稳定性。

1.3.1 盐官泵站改造对流道进行创新优化设计

对流道出口分隔墩进行延长，采用C30W4 F100混凝土进行浇筑，对左、右出口流道采用壁厚20 mm的16MnR钢板进行全断面内衬，进、出水流道均做优化处理。进水流道部分除进水流道底板不做调整外，进水流道与进水底座连接段的混凝土流道根据优化流道型线尺寸进行凿除重新浇筑处理，进水底座等埋设部件凿除全新更换。出水流道部分：除了出水流道混凝土底板不做调整外，出水弯管段以及后续埋设的弯管段凿除全新更换，出水流道顶板凿除后根据优化流道型线尺寸重新浇筑。解决左右两孔偏流的问题，CFD计算显示进出水流道流态及泵装置性能有所改善，盐官泵站改造三维流场数值计算研究成果见表3。

表3 流道数值计算结果

1.3.2 降低水泵安装高度

泵组叶轮直径由原来的3.8 m减小到3.65 m，同时可以降低水泵安装高程0.25 m。因此改造后水泵安装高程降低到-2.09 m，使水泵的叶轮顶点淹没深度相应地增加0.25 m，进一步有利于汽蚀性能。水泵安装高程直接关系到水泵在整个扬程范围内能否安全稳定运行。

1.3.3 改善水泵核心部件材质，提高加工质量

为了适应高扬程工况下泵组的正常运行，需要采用比转速较低，适合于较高扬程运行的水力模型，重新制造水泵叶轮。叶片材质为不锈钢，采用数控加工工艺，保证叶片型线、表面波浪度、粗糙度及各叶片重量差等重要质量指标，从而提高水泵的水力性能、运行稳定性及延长使用寿命。

1.3.4 增设液压全调节机构，确保水泵较好工况运行

本泵站扬程范围为0.3～6.41 m，设计扬程Hsj=2.97 m，Hmax/Hsj=2.16。泵站扬程范围大，且最高扬程与设计扬程的比值较大，设置水泵叶片调节机构可以在高扬程时减小叶片角度，降低水泵轴功率，进而降低电动机额定功率。另外,叶片调节机构可以改善泵组的运行工况，如发现某台泵组的压力脉动等增高，超过报警值，说明此时水泵工作状态变差，便可通过液压全调对该水泵进行桨叶调节。

1.4 泵站改造后机组运行稳定性分析

1.4.1 改造后机组水力性能分析

通过系列综合改造后，模型实验结果表明，在叶片角度分别为-8°，-6°，-4°，-2°，0°，+2°时，泵装置最高效率分别为 75.72%,76.17%,75.97%,75.79%,75.53%,75.14%。通过增加转速，不仅使得装置的高效区域变宽，同时增加淹没深度，盐官斜式轴流泵装置水力性能在多工况下均有较大性能提升[7-8]，实际运行状态下各项指标均优于改造前，改造成效显著。

1.4.2 改造后机组振动情况分析

盐官泵站更新改造后对主机组安装了在线振动监测系统，主要振动测点布置如图1所示。

图1 泵站机组在线振动监测测点布置图

根据对4台水泵机组2021年7月—2022年3月运行期间各主要振动测点振动趋势分析，发现泵站机组运行时振动点的振动幅值较低，各项振动均降低至安全阀值以下；各部件各测点频谱表现特征频率均符合机组结构特点，无其他异常扰频成分，机组叶轮及其他部件未表现有明显损伤的迹象；运行噪声也很大程度降低，现场测定泵组运行最大噪音为84 dB，最低噪音为80 dB，机组整体运行稳定性良好。自泵站更新改造运行以来，泵站在2020年超长梅汛和2021年“烟花”台汛中发挥了重要的作用。以1#机组为例进行了振动数据统计，主要代表性测点改造前后数据对比见表4，可见振动改善明显。

表4 1#机组振动数据

3 泵站机组振动防范应对措施

3.1 严格把控制造、安装质量

水泵的叶轮过流表面粗糙度、主要部件实际尺寸与设计尺寸的允许偏差等应符合规范要求，间隙配合情况符合设计要求，同一个轮毂上所有叶片的安放角应一致。电动机定子与转子之间的空隙间隙值符合要求，振动数值符合有关标准。对于采用新模型的主水泵出厂前宜进行不少于1台真机测试，测试项目应包括水泵装配及调节情况、流量、扬程、转速、轴功率、效率、气蚀余量、振动、噪声和温度等参数，测试结果应符合设计要求。

水泵主轴与齿轮箱、齿轮箱与电动机联轴器同心同轴度应严格符合安装允许偏差，水导轴承、推力组合轴承、电动机轴承等主要支撑轴承安装应严格把关。轴承座的安装应按机组固定部件的实际中心调整轴孔的中心外，轴孔中心高程还应将机组运行时主轴挠度和轴承座支撑变形值及由于润滑油膜的形成引起的主轴径向位移值计算在内。在需要加垫调整轴承座时，所加垫片不应超过3片，且垫片应穿过基础螺栓。

3.2 合理使用运行工况

尽量避免在进水池水位低于最低运行水位下运行，以防气蚀产生振动。利用液压全调节叶片装置，根据水泵装置扬程变化改变叶片安装角度。实际操作使用时根据具体情况可采用水位扬程模式，必要时按照装置性能曲线或经验，手动模式调节叶片，以避免水泵在马鞍区运行产生振动，使水泵在高效区运行。遇出水池口门淤积严重时，应清淤保持流道畅通，避免启动时功率大、振动大甚至引起启泵失败。运行时应注意及时清理进水池拦污栅杂物，以免引起空蚀振动。

3.3 及时规范运行维护

加强维护管理，对机组轴线对称中精度定期检测，对水泵叶片间隙、导轴承间隙定期测量，对紧固件检查紧固，对轴承、联轴器定期进行润滑保养使设备处于良好状态[2]。利用在线监测结合人工巡查加强对机组运行状态的监测，人工巡查关注如叶轮外壳、电动机、齿轮箱、推力组合轴承处等核心部位振动、异响，可以弥补在线监测时测振点布置不全及损化、报警值设置不当、传感器失灵、监测装置精度等问题。在线监测通过实时监测机组运行状态，开展机组故障诊断分析，可以有效地解决传统故障诊断和维修中存在的问题，通过以上措施[3]，提高诊断的准确性和及时性。

4 结 语

近几年，浙江省大力加强维护管理大型泵站，特别是随着泵站功能的提升拓宽、由单一防洪排涝升级为排涝、引调水改善生态环境等，泵站的使用时间大大增加，同时也对泵站的安全稳定性提出了更高要求。泵站机组在运行期间出现振动现象，轻则影响相关构件使用寿命，重则影响工程运行安全，笔者通过盐官排涝泵站机组大修改造前后分析对比，提出改造措施，降低振动成效明显，建议在水泵制造安装、运行维护中采取防范振动应对措施，为大型水泵机组建设安装及日常运行管理提供参考。