李　揚，張　宇，孫嵐清，郭　凱，唐　燕，田　揚，徐　玲，陸明浩，顏　蔚

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

江都水利樞紐是南水北調(diào)東線源頭工程，包括江都一站、江都二站、江都三站、江都四站及配套的水閘，其中江都四站共安裝7臺ZLQ31.2-7.8全調(diào)節(jié)軸流泵，配套TL3550-40/3250同步電動機電機。2009年江都四站經(jīng)過技術(shù)改造后，裝置效率及流量明顯提高，取得了較大經(jīng)濟效益和社會效益。但改造后發(fā)現(xiàn)，機組運行時振動、噪音有所增加，產(chǎn)生振動的原因不明。通過對江都四站4號泵機組及7號泵機組進行多工況、多測點、多振動參數(shù)的現(xiàn)場測試，收集整理相關(guān)測試數(shù)據(jù)，根據(jù)測試結(jié)果，繪制多工況、多測點振動的振幅統(tǒng)計、時域波形、頻譜圖，本文通過對機組不同葉片運行角度下、不同水位差的條件下立式軸流泵葉輪外殼振動進行同步動態(tài)測量，重點對各主要測點的振動幅值、振動頻率隨角度、水位變化規(guī)律進行分析，以期為大型泵站立式全調(diào)節(jié)軸流泵工程運行管理提供參考。

1　泵站結(jié)構(gòu)振動問題

大型泵站由于機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在機組生產(chǎn)、安裝、運行管理不當, 機組在非額定工況下運行等情況, 泵站運行過程中, 機組和泵站的振動是最常見的問題。振動強烈時, 甚至?xí)绊懙奖谜镜陌踩煽窟\行。從國內(nèi)外已建的泵站運行情況來看, 絕大多數(shù)泵站的振動問題對泵站的安全運行尚不構(gòu)成威脅, 但這種由于振動問題而影響安全運行的例子也并不少見。1997年建成投運的淮安三站,是我國首個大型燈泡式貫流泵站。該泵站在運行過程中,機組和泵站存在劇烈振動問題,一定程度上影響了泵站的安全可靠運行[1]。通過對該泵站的測試發(fā)現(xiàn), 在發(fā)電工況下,當兩臺機組同時運行時,振動出現(xiàn)較大值,2號機組導(dǎo)葉處加速度值達到峰值為0.17 m/s2, 徑向振幅的最大值達到0.71 mm, 振動主頻率達64.5 Hz。其徑向振幅的最大值大大超出了規(guī)范0.12 mm的允許值。位于富春江、錢塘江、浦陽江交匯處的杭州小礫山泵站, 建于1960年,是蕭紹平原地區(qū)防洪排澇的骨干工程之一。該泵站機組運行過程中南泵站5號機組樓板振感明顯，通過對該泵站進監(jiān)測及分析[2]，發(fā)現(xiàn)南泵房5號機組樓板的水平振動位移最大值達0.221 mm, 垂直振動位移最大值達0.167 mm，超過了規(guī)范允許標準。埃及廣泛用于新區(qū)開墾的軸流泵站亦存在劇烈振動現(xiàn)象, 振動造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)出現(xiàn)重大問題[3]；在為巴格達城市供水的某泵站中，也出現(xiàn)了引起廣泛關(guān)注的泵房樓板劇烈振動問題。

由泵站工程實例可見,機組及泵房振動問題日益突出, 給泵站帶來的威脅不容忽視。2009年江都四站經(jīng)過技術(shù)改造后，裝置效率及流量明顯提高，取得了較大經(jīng)濟效益和社會效益。但改造后發(fā)現(xiàn)，機組運行時振動、噪音有所增加，產(chǎn)生振動的原因不明。因此,通過振動現(xiàn)場測試研究機組及泵站結(jié)構(gòu)的振動規(guī)律,對于后續(xù)類似工程的研究和建設(shè),具有重大的工程價值。

2　測試系統(tǒng)及測試方案

2.1　測試系統(tǒng)構(gòu)架

該測試方案包括三部分組成：

第一部分為振動傳感器測點布置，振動傳感器安裝在水泵葉輪外殼等關(guān)鍵部位，進行原始振動數(shù)據(jù)采集，獲取水泵機組的振動數(shù)據(jù)。該測試方案共有2臺立式全調(diào)節(jié)軸流泵，每臺水泵設(shè)8個測點。

第二部分為數(shù)據(jù)采集層，通過傳感器線纜將振動信號傳輸至對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集匯總，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至計算機，每臺泵機組各配2臺數(shù)據(jù)采集器及計算機，每臺數(shù)據(jù)采集器配置16個振動采集通道，采樣頻率為512～51.2 kHz之間可調(diào)。通過數(shù)據(jù)采集器YE6271對輸入信號進行采集、濾波和抽樣處理：一是采集16路傳感器信號，每塊板卡4路信號為同步采樣，4塊板卡之間為軟件同步采樣；二是單通道采樣頻率最高為40 kHz，采樣頻率可設(shè)置為125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz、5 kHz、8 kHz、10 kHz、20 kHz、40 kHz，通過采樣抽樣方式實現(xiàn)采樣率的改變；三是通過485、網(wǎng)口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，485傳輸適合低速采樣傳輸；網(wǎng)口適用高速采樣，通過UDP方式上傳數(shù)據(jù)。

第三級為數(shù)據(jù)分析層，通過第二層測試數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行離線分析，出具設(shè)備振動檢測報告。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2.2　測點布置及測量參數(shù)

根據(jù)本次振動特性現(xiàn)場測試方案，選擇4號泵機組(含對應(yīng)處工作橋測點)和7號泵機組為測試對象，每臺泵機組選擇8個測點，2臺機組共16個測點進行振動特性測試。

水泵各測點布置如圖2和圖3所示，徑向呈90°安裝，軸向呈180°安裝。4號與7號電機測點相對位置一致。

水泵測點位置如表1所示。

圖2　水泵正面測點布置圖Fig.2 Layout of measuring points on the front of pump

圖3　水泵側(cè)面測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points on side of pump

表1　水泵測點傳感器布置表Tab.1 Layout of sensor for measuring point of water pump

3　水泵振動特性測試分析

為了分析不同工況對泵機組振動特性的影響，根據(jù)現(xiàn)場條件，分別選取泵站進水水位高、低2種情況(高水位3.5 m，低水位2.96 m)，泵站出水水位7.23 m基本保持不變進行測試。通過對4號和7號泵機組在不同潮位、不同葉片角度等運行工況時，葉輪中心外殼、水泵過渡段、固定導(dǎo)葉體上部(下導(dǎo)軸承處)各部件(各測點詳細布置見第二章)振動數(shù)據(jù)測試，進行對比、分析潮位、葉片角度對機組振動的影響，并對振動特性安全性作出評價；對4號和7號機組同一時間振動數(shù)據(jù)進行對比，評估4號機組和7號機組的振動差異性。

3.1　不同潮位時水泵振動特性位移頻譜分析

3.1.14號水泵測點不同潮位振動特性測試分析

振動位移作為振動安全評價中最重要的指標之一，相關(guān)規(guī)范給出了較為詳細的振動限值?；诒敬维F(xiàn)場測試結(jié)果，進行了泵機組各測點在-6°不同潮位時的位移時程和頻譜分析。

圖4～圖9給出了4號水泵葉輪中心上游側(cè)、下游側(cè)、水泵固定導(dǎo)葉軸承處徑向兩側(cè)、水泵過渡段徑向兩側(cè)6個測點軸向位移時程曲線和頻譜分析圖。測點的主要頻率以低頻2.5 Hz為主。

圖10和圖11給出了4號水泵葉輪中心高程處兩側(cè)2個測點軸向位移時程曲線和頻譜分析圖。測點的主要頻率以低頻2.5 Hz為主，不同潮位時過渡段徑向位移相差較大。

圖4　4號水泵上游側(cè)-垂向時域及頻譜圖Fig.4 Time domain and frequency spectrum of upstream and vertical of No.4 pump

圖5　4號水泵下游側(cè)-垂向時域及頻譜圖Fig.5 The time domain and frequency spectrum of the downstream side vertical of No.4 pump

表2是4號水泵各個測點10 s內(nèi)所對應(yīng)的平均峰峰值，2.5、5、7.5和10 Hz所對應(yīng)的位移值。由表可知，水泵泵體測點從下往上(葉輪到上導(dǎo)葉)振動逐漸減小，振動能量主要集中在2.5 Hz處。

由圖12可知，水泵機殼測點高潮位時的振動大于低潮位，水泵泵體測點從下往上振動逐漸減小，同位置徑向振動略大于軸向。

3.1.27號水泵測點不同潮位振動特性測試分析

根據(jù)7號水泵位移時程曲線和頻譜分析圖(因篇幅不再列出)得出測點的主要頻率均以低頻2.5 Hz為主，不同潮位時葉輪內(nèi)側(cè)軸向位移基本接近。

表2　4號水泵(平均)　μmTab.2 No.4 pump (average)

表3　7號水泵(平均)　μmTab.3 No.7 pump (average)

圖6　4號水泵上導(dǎo)葉上游側(cè)時域及頻譜圖Fig.6 Time domain and frequency spectrum of upper side of upper guide vane of No.4 pump

圖7　4號水泵上導(dǎo)葉上游側(cè)側(cè)面時域及頻譜圖Fig.7 Time and frequency spectrum of upper side of upper guide vane of No.4 pump

圖8　4號泵過渡段上游側(cè)時域及頻譜圖Fig.8 Time domain and frequency spectrum of upstream section of transition section of No.4 pump

圖9　4號泵過渡段上游側(cè)側(cè)面時域及頻譜圖Fig.9 Time domain and frequency spectrum of upstream side of transition section of No.4 pump

圖10　4號葉輪上游側(cè)時域及頻譜圖Fig.10 Time domain and frequency spectrum of upstream section of transition section of No.4 pump

圖11　4號葉輪上游側(cè)側(cè)面時域及頻譜圖Fig.11 Time domain and frequency spectrum of upstream side of impeller 4

圖12　4號水泵高低潮比較Fig.12 Comparison of high and low tide of No.4 pump

表3是7號水泵各個測點所對應(yīng)的峰峰值，2.5、5、7.5和10 Hz所對應(yīng)的位移值。由表可知，水泵泵體測點從下往上(葉輪中心外殼、水泵過渡段、固定導(dǎo)葉體上部)振動逐漸減小，振動能量主要集中在2.5 Hz處。

圖13　7號水泵高低潮比較Fig.13 Comparison of high and low tide of No.7 pump

由圖13可知，高潮位時水泵的振動比低潮位大。通過不同測點的比較發(fā)現(xiàn), 水泵泵體測點從下往上(葉輪中心外殼、水泵過渡段、固定導(dǎo)葉體上部)振動逐漸減小，同位置徑向振動遠大于軸向。

3.1.3不同潮位水泵振動特性結(jié)論

通過4號水泵和7號水泵高低潮位對比分析可知，高潮位時水泵振動比低潮位大；通過不同測點的比較發(fā)現(xiàn), -6°時，水泵泵體測點從下往上(葉輪中心外殼、水泵過渡段、固定導(dǎo)葉體上部)振動逐漸減??；4號水泵機組水泵機殼同位置徑向振動略大于軸向，7號水泵機組水泵機殼同位置徑向振動明顯大于軸向振動。

3.2　不同葉片角度水泵振動特性測試及位移頻譜分析

2017年7月31日下午15:54到16:50分別對4號機組及7號機組水泵葉片進行調(diào)節(jié)，葉片角度從-6°到+2°調(diào)節(jié)，每次間隔20 min，在水力條件充分穩(wěn)定后進行振動測試，泵站出水水位從7.19 m上升到7.23 m,下游從2.94 m降到2.77 m?；诒敬维F(xiàn)場測試結(jié)果，進行了4號泵機組和7號機組各測點不同葉片角度時的位移時程和頻譜分析。

3.2.14號水泵測點不同角度振動特性及位移頻譜分析

圖14～圖21給出了4號水泵中心上游側(cè)、下游側(cè)水泵導(dǎo)葉軸承處兩側(cè)、水泵過渡段兩側(cè)、水泵葉輪中心高程處兩側(cè)8個測點在不同葉片角度時的位移時程曲線和頻譜分析圖。測點的主要頻率以低頻2.5 Hz為主。

圖14　4號水泵上游側(cè)-垂向時域及頻譜圖Fig.14 Time domain and frequency spectrum of upstream and vertical of No.4 pump

圖15　4號水泵下游側(cè)-垂向時域及頻譜圖Fig.15 The time domain and frequency spectrum of the downstream side vertical of No.4 pump

圖16　4號水泵上導(dǎo)葉上游側(cè)時域及頻譜圖Fig.16 Time domain and frequency spectrum of upper side of upper guide vane of No.4 pump

圖17　4號水泵上導(dǎo)葉上游側(cè)側(cè)面時域及頻譜圖Fig.17 Time and frequency spectrum of upper side of upper guide vane of No.4 pump

圖18　4號泵過渡段上游側(cè)時域及頻譜圖Fig.18 Time domain and frequency spectrum of upstream section of transition section of No.4 pump

圖19　4號泵過渡段上游側(cè)側(cè)面時域及頻譜圖Fig.19 Time domain and frequency spectrum of upstream side of transition section of pump 4

圖20　4號水泵葉輪上游側(cè)時域及頻譜Fig.20 Time domain and frequency spectrum of upstream side of impeller of No.4 pump

圖21　4號水泵葉輪上游側(cè)側(cè)面時域及頻譜Fig.21 Time domain and frequency spectrum of upstream side of impeller of No.4 pump

表4是4號水泵各個測點所對應(yīng)的峰值，2.5、5、7.5和10 Hz所對應(yīng)的位移值。

由圖22可知，4號泵機組水泵葉輪中心外殼處振動對角度非常敏感，調(diào)節(jié)角度后其振動值呈倍數(shù)減小，葉角角度的改變會影響到水流的姿態(tài)，說明水力引起的振動是比較突出的振源。

圖22　4號水泵不同角度對比Fig.22 Comparison of different angles of No.4 pump

3.2.27號水泵測點不同角度振動特性及位移頻譜分析

基于本次現(xiàn)場測試結(jié)果，進行了7號泵機組各測點不同葉片角度時的位移時程和頻譜分析。7號水泵測點的主要頻率以低頻2.5 Hz為主。

表5是7號水泵各個測點所對應(yīng)的峰峰值，2.5、5、7.5和10 Hz所對應(yīng)的位移值。

由圖23可知，葉輪中心外殼處振動對角度非常敏感，調(diào)節(jié)角度后其振動值呈倍數(shù)減小，葉角角度的改變會影響到水流的流態(tài)，流態(tài)的變化會直接影響到葉輪的振動，說明水力引起的振動是比較突出的振源。

3.2.3水泵不同角度振動特性對比結(jié)論

通過4號水泵和7號水泵不同角度對比分析可得，葉輪中心外殼處振動對角度非常敏感，調(diào)節(jié)角度后(-6°到-4°)其振動值呈倍數(shù)減小，說明葉角角度的改變會影響到水流的流態(tài)，流態(tài)的變化會直接影響到葉輪的振動，說明水力引起的振動是泵振動比較突出的振源。

表4　4號水泵(平均)　μmTab.4 No.4 pump (average)

表5　7號水泵(平均)　μmTab.5 No.7 pump (average)

4　結(jié)　論

4.1　水泵振動特性測試及位移頻譜分析結(jié)論

通過4號及7號泵機組振動特性現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：

(1)泵機組葉輪外殼測點振動位移值受下游潮位影響很大，潮位越高，振動越大(7號水泵機組3.5 m潮位時振動位移最大值達2 853 μm，2.96 m潮位時位移最大值為1 866 μm，4號機組3.5 m潮位時振動位移最大值為1 038 μm，2.96 m潮位時位移最大值為727 μm)。

(2)水泵機組葉輪外殼測點徑向振動位移值7號機組比4號機組大，軸向振動7號機組比4號機組小，水泵機組葉輪外殼測點的振動能量主要以一倍頻2.5 Hz為主，4號泵有明顯的二倍頻。

(3)葉輪中心機殼處振動位移對角度變化

圖23　7號水泵不同角度對比Fig.23 Comparison of different angles of No.7 pump

較敏感，4號機組振動位移隨葉片角度增加而減少，7號機組葉片角度-6°時振動位移最大。

綜合以上描述，根據(jù)本次泵機組振動特性現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分，水泵振動值大的原因主要有水力和機械因素影響。

4.2　振動解決方案

根據(jù)振動特性分析從工程運行管理的角度提出以下解決方案：

(1)因機組振動和泵站進水側(cè)水位高度密切相關(guān)，可以通過控制進水側(cè)的東、西閘的閘門開度來確保泵閘進水側(cè)保持相對較低水位，從而降低機組振動。

(2)因葉輪中心機殼處振動位移對角度變化較敏感，可以通過對各臺水泵分別進行振動特性測試，繪制出各臺主機振動與葉片角度關(guān)系曲線，從而在水泵運行中選擇振動較小的角度。例如4號主機可以通過增加葉片角度來減小水泵振動，7號水泵則盡量避免葉片角度-6°運行。

(3)建立在線振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)，在定量和標準化的基礎(chǔ)上，通過振動傳感器實時采集各關(guān)鍵點的振動數(shù)據(jù)，進行理性分析，結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)作綜合判斷，通過對振動的實時監(jiān)測，及時做出相應(yīng)措施，進一步降低振動的不利影響。

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參考文獻：

[1]肖燁，丁曉唐.淮安三站結(jié)構(gòu)振動特性及抗振分析[J].水利水電科技發(fā)展，2016,(6):86-89.

[2]劉超英，唐耀英.泵站機組振動對泵房結(jié)構(gòu)影響的測試及分析[J].浙江水利科技，2003,(5):27-30.

[3]田克平，王新.大型泵站減振措施研究[J].陜西水利，2003,(3):113-114.