臥式一體化泵閘安全性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

侍賢瑞，嚴(yán)根華，董 家，孫云茜

(1.南京水利科學(xué)研究院 水工水力學(xué)研究所，南京 210029；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

我國(guó)河道水系泵閘工程一般均采用分離式布置。但該布置方式存在占地面積大、建設(shè)成本高、泵閘管理分散等缺點(diǎn)。隨著城市化水平的提高，征地成本及環(huán)境要求使這一缺點(diǎn)日益凸顯。而一體化泵閘具有工期短、占地小、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了這一難題。尤其適合中小河流的水環(huán)境和水生態(tài)整治工程,具有廣闊的應(yīng)用前景及良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

一體化泵閘將軸流式潛水泵安裝在平板閘門上，泄水道與抽水道合二為一，既可按常規(guī)平板閘門排澇、擋水使用，又可在城區(qū)洪水來(lái)流量較大，無(wú)法自流泄洪時(shí)，啟動(dòng)水泵抽水強(qiáng)排；或城市水景觀工程中，當(dāng)內(nèi)河水位小于城市設(shè)計(jì)景觀水位時(shí)，關(guān)閉閘門，啟動(dòng)水泵抽水以保證城市景觀水位。

根據(jù)水泵的安裝方式，一體化泵閘往往分為立式及臥式兩種。立式一體化泵閘將水泵置于一個(gè)S型流道之中，并將該井筒附加于平板閘門梁格上，檢修方便、對(duì)下游水深要求較低但流道復(fù)雜；臥式一體化泵閘將水泵置于圓筒中，該圓筒平臥貫穿安裝在平板閘門面板上。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 一體化泵閘

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸流泵及平板閘門各自的流激振動(dòng)特性研究較多。張德勝等[1]對(duì)變轉(zhuǎn)速下軸流泵的壓力脈動(dòng)以及振動(dòng)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)模型不同位置的振動(dòng)以1倍頻和2倍頻為主。垂向振動(dòng)大于水平向。李忠等[2]對(duì)變工況下的軸流泵的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)量和流量的變化趨勢(shì)和揚(yáng)程與流量的變化關(guān)系基本一致。馬斌等[3]對(duì)水工閘門振動(dòng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。沈春穎等[4]對(duì)平面閘門進(jìn)行流場(chǎng)-振動(dòng)同步測(cè)量，發(fā)現(xiàn)閘門振動(dòng)最大值出現(xiàn)在閘后順?biāo)飨蛐郎u靠近閘門的不利流態(tài)工況。Chen等[5]對(duì)用于改善河流水質(zhì)的生態(tài)閘門泵裝置的泵進(jìn)行研究與優(yōu)化。

但鮮有學(xué)者對(duì)水泵及閘門的結(jié)合體進(jìn)行研究，水泵振動(dòng)-井筒內(nèi)水流壓力脈動(dòng)-河道內(nèi)水流紊動(dòng)的荷載組合極為復(fù)雜，其對(duì)泵閘結(jié)構(gòu)的振動(dòng)危害程度仍屬未知。現(xiàn)今一體化泵閘在國(guó)外已有應(yīng)用實(shí)例，但國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例極少。因此，本文的研究對(duì)一體化泵閘的廣泛應(yīng)用有著重要意義。

筆者依托賽萊默(中國(guó))有限公司的飛力一體化泵閘項(xiàng)目，對(duì)一門雙泵的臥式表孔一體化泵閘進(jìn)行研究(該裝置寬7.00 m，高7.65 m)。建立有限元數(shù)值模型分析了結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性，并建立了比尺為1∶10的水力學(xué)模型及水彈性振動(dòng)模型，三者互相結(jié)合以研究泵閘不同條件運(yùn)行時(shí)的安全性。

1 靜動(dòng)力安全性數(shù)值分析

結(jié)構(gòu)的靜力特性分析包括應(yīng)力和變形計(jì)算[6]。強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。

動(dòng)力特性計(jì)算，主要求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，因泵閘結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于水中，且與水流的耦合作用僅發(fā)生在固液交界處，屬第二類流固耦合問(wèn)題。

本計(jì)算中臥式一體化泵閘有限元模型由618個(gè)體單元構(gòu)成；單元?jiǎng)澐殖叽鐬?.04 m；離散單元采用solid187單元，共離散758 021個(gè)單元，237 189個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件為：底緣Y向位移為0，背向滑塊Z向位移為0，導(dǎo)向輪X向位移為0。

1.1 靜力計(jì)算

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖2所示。應(yīng)力位移云圖可見(jiàn)圖2(a)和圖2(b)。在靜力計(jì)算中，于閘門面板施加6.5 m靜水壓力。計(jì)算結(jié)果表明，泵閘最大的位移為0.9 mm，發(fā)生在拍門處。主橫梁最大撓度為1/8 750；結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為80.8 MPa，發(fā)生在泵閘上部導(dǎo)向輪筋板處，其余部分均低于50 MPa。顯然泵閘結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

1.2 動(dòng)力計(jì)算

振型可見(jiàn)圖2(c)。濕模態(tài)第一階振動(dòng)頻率為10.66 Hz，其振型為水泵同向順河向振動(dòng)。第二階振動(dòng)頻率為12.33 Hz，為水泵同向橫河向振動(dòng)。

圖2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2 模型試驗(yàn)

分別建立了幾何比尺為1∶10的水力學(xué)及水彈性模型各一套，分別研究泄水工況下結(jié)構(gòu)所受水動(dòng)力荷載、泄水抽水工況下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。采用江蘇東華測(cè)試DH5922N動(dòng)態(tài)采集儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析。試驗(yàn)水槽簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)水槽

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皞鞲衅鞑贾?/h3>

(1)水力學(xué)模型：為掌握泄水工況下泵閘結(jié)構(gòu)面板及井筒附近的動(dòng)水壓力分布，在閘門面板及井筒共設(shè)置12個(gè)時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)(M1～M12)和10個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器(P1～P10)，具體如圖4所示。

(2)水彈性模型：根據(jù)動(dòng)力試驗(yàn)相似準(zhǔn)則可得，材料密度比尺ρr=1，彈模比尺Er=Lr=10，泊松比比尺μr=1，因此水彈性模型材料的密度7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×104MPa。

(3)原型泵直徑1 400 mm,額定轉(zhuǎn)速495 r/min，額定揚(yáng)程7.7 m，額定流量4.3 m3/s，名義比轉(zhuǎn)數(shù)810，效率84.5%，葉片數(shù)為4片，模型水泵比轉(zhuǎn)速與原型泵相同[7]，且?guī)缀伪瘸邽?∶10。

(4)為獲取泵閘運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)特性，在泵閘構(gòu)重點(diǎn)部位共布置了2個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器(A1，A2)，分別測(cè)量順河向(X)，橫河向(Y)及垂向(Z)的振動(dòng)加速度。測(cè)點(diǎn)布置可見(jiàn)圖4。

圖4 動(dòng)水壓力和振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 基于HHT的時(shí)頻分析介紹

信號(hào)處理采用隨機(jī)振動(dòng)理論、快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)及(Hilbert-Huang transform，HHT)分析[8-9]。HHT由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)和Hilbert變換兩部分組成，先將原始信號(hào)經(jīng)EMD分解成一系列固有模式函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)和殘差的組合，后對(duì)每個(gè)IMF利用解析信號(hào)相位求導(dǎo)定義計(jì)算出有意義的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，獲得信號(hào)的Hilbert時(shí)頻譜。該方法無(wú)需信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，分解過(guò)程完全由數(shù)據(jù)自身驅(qū)動(dòng)，克服了FFT分析無(wú)法獲得信號(hào)的時(shí)域信息，短時(shí)傅里葉變換的時(shí)域、頻域分辨率相矛盾，小波變換對(duì)小波基的敏感和信號(hào)能量泄露的問(wèn)題，具有自適應(yīng)性、完備性、近似正交性和IMF分量的調(diào)制性，是一種后驗(yàn)的方法。

2.3 水動(dòng)力安全性評(píng)價(jià)

水動(dòng)力試驗(yàn)的目的在于研究各工況下的水流流態(tài)，不同測(cè)點(diǎn)的時(shí)均及脈動(dòng)壓力變化規(guī)律及量值，找出最不利的工況，為下一步的水彈性流激振動(dòng)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 泄水試驗(yàn)工況組合

2.3.1 時(shí)均動(dòng)水壓力特征

試驗(yàn)表明，面板及底緣壓力隨上下游水位及泵閘開(kāi)度的不同而呈一定變化規(guī)律，上游測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓力水頭接近上游側(cè)水位，下游測(cè)點(diǎn)時(shí)均動(dòng)水壓力則隨泵閘開(kāi)度的不同而存在一定變幅，測(cè)點(diǎn)越接近門體變幅越大，隨后逐漸降低直至接近下游水深。水流過(guò)閘后，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，流速增高而壓力降低。閘門底緣處流態(tài)較為復(fù)雜，部分工況存在負(fù)壓，最大值為-0.25×9.8 kPa(工況2-2)。

2.3.2 脈動(dòng)水壓力特征

典型脈動(dòng)水壓力特征如圖5所示。水流脈動(dòng)壓力是泵閘泄水過(guò)程中引發(fā)流激振動(dòng)的主要?jiǎng)雍奢d，其中包括由水躍、波浪對(duì)門體沖擊引起的壓力脈動(dòng)，對(duì)泵閘振動(dòng)量造成影響的是壓力脈動(dòng)強(qiáng)度及功率譜特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，泵閘結(jié)構(gòu)的總脈動(dòng)壓力荷載隨閘門開(kāi)度的增加呈先增后減的趨勢(shì)。因下游發(fā)生臨界水躍，受到涌浪的強(qiáng)烈沖擊，上游井筒的P9，P10，閘門底緣的P1，P4，脈動(dòng)壓力仍然較大還未衰減。而當(dāng)閘門開(kāi)度進(jìn)一步增大，直至下游產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍時(shí)，這4處測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力將會(huì)降低。隨著上下游水位差的逐漸增大，結(jié)構(gòu)的總脈動(dòng)壓力峰值依次出現(xiàn)在開(kāi)度50%，40%，30%(即工況1-5,工況2-4,工況3-3)；不同工況，不同部位各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根值都沒(méi)有超過(guò)2.2 kPa,功率譜分析得出泵閘水流脈動(dòng)壓力功率譜密度的高能區(qū)主要集中在0～10.0 Hz的低頻區(qū)，主頻在5 Hz范圍內(nèi)。

圖5 脈動(dòng)壓力特征

3 振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)主要通過(guò)水彈性模型試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)分泄水與抽水兩大工況。泄水試驗(yàn)分為兩大類：①外江側(cè)水位高內(nèi)河側(cè)水位低(工況1～工況3)；②內(nèi)河側(cè)水位較外江側(cè)高(工況4～工況6)。具體如表2所示。抽水試驗(yàn)工況以電機(jī)頻率50 Hz正常工作狀態(tài)為主要研究工況；同時(shí)還考查了60 Hz超頻模式和30 Hz低頻節(jié)能模式下的泵閘運(yùn)行狀態(tài)。具體試驗(yàn)工況如表3所示。

表2 泄水試驗(yàn)工況組合

表3 抽水試驗(yàn)工況組合

3.1 泄水工況振動(dòng)特性

典型振動(dòng)加速度特征如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度整體上呈上部大，下部小的態(tài)勢(shì)。振動(dòng)加速度均方根值在工況6井筒順河向達(dá)到最大，為0.53 m/s2。由時(shí)頻圖[10]可知，頻率集中在10 Hz以內(nèi)，時(shí)間歷程上也較為均勻。整體上同一水位差及閘門開(kāi)度條件下，閘門反向泄水的振動(dòng)加速度均方根值較大。

圖6 振動(dòng)加速度特征

3.2 抽水工況振動(dòng)特性

抽水工況下泵閘結(jié)構(gòu)荷載情況更為復(fù)雜，除了承受靜水壓力、水流荷載的沖擊作用外還承載水泵運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的振動(dòng)載荷作用。

典型振動(dòng)加速度特征如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：從整體上看，泵閘各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方根值隨轉(zhuǎn)速加快而增加。泵閘結(jié)構(gòu)振動(dòng)量在工況2井筒垂向達(dá)到最大，為1.54 m/s2；在工況1井筒橫河向達(dá)到最大，為1.00 m/s2。水泵電機(jī)頻率為50.0 Hz，60.0 Hz及30.0 Hz時(shí)，葉頻分別為24.0 Hz，29.0 Hz及14.5 Hz。頻譜分析結(jié)果也體現(xiàn)了這一特征(FFT頻率分辨率取值導(dǎo)致些許偏差)。由時(shí)頻圖可知，電機(jī)頻率為60.0 Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率集中在29.5 Hz左右，時(shí)間歷程上也較均勻。可見(jiàn)在抽水工況下，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的振動(dòng)是泵閘結(jié)構(gòu)的主要荷載。

圖7 振動(dòng)加速度特征

工況1為泵閘電機(jī)常頻運(yùn)行條件下出現(xiàn)最大振動(dòng)量(A2Y，1.00 m/s2)。已基本滿足振動(dòng)安全性要求。

4 消渦裝置研究

抽水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)下游水深不夠高時(shí)，下游產(chǎn)生連續(xù)吸氣旋渦，不僅影響抽水效率，還會(huì)損壞結(jié)構(gòu)安全。但原方案的臨界工作淹沒(méi)深度[11]過(guò)大(將工作淹沒(méi)深度定義為水泵中軸線與下游自由水面的距離)，使臥式一體化泵閘實(shí)用性不足。從土建角度考慮可開(kāi)挖河道以增加水泵淹沒(méi)水深，但該方案不僅造價(jià)高昂，而且容易導(dǎo)致淤積泥沙。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度出發(fā)，可在井筒進(jìn)口處安裝整流裝置以優(yōu)化流態(tài)，消除連續(xù)吸氣旋渦，進(jìn)而降低臨界工作淹沒(méi)深度。

消渦裝置共三套(具體結(jié)構(gòu)如圖8所示)。方案一與方案二的喇叭口有著平順?biāo)骷皽p小進(jìn)口流速的作用，以達(dá)到減小切向速度的作用進(jìn)而減小環(huán)量，而喇叭口中的梁格有著類似防渦梁的作用，可以隔斷吸氣旋渦，在一定程度上阻礙其形成連續(xù)吸氣旋渦。設(shè)置方案二的目的在于比較貫通的十字格擋是否可以對(duì)進(jìn)水口的旋流進(jìn)行阻擋，進(jìn)一步平順?biāo)鳌?/p>

圖8 消渦裝置

方案三的彎曲進(jìn)水口，改變了水泵吸水方向。從原本的水平改為與水平面成45°角向下，不僅增加了進(jìn)水口的淹沒(méi)深度，而且使入水口與來(lái)流方向成一定夾角，進(jìn)一步減小了切向速度，從而降低臨界工作淹沒(méi)深度。

消渦裝置通過(guò)螺栓與水泵進(jìn)口處的井筒相連。試驗(yàn)將原方案設(shè)置為對(duì)照組，用以量化比較消渦裝置的功效。各套方案分別設(shè)置三種水泵揚(yáng)程，單泵及雙泵運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)，具體工況如表4所示。同時(shí)，對(duì)泵閘的振動(dòng)量也進(jìn)行測(cè)量以全面掌握優(yōu)化效果。

表4 抽水試驗(yàn)工況組合

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

圖9 優(yōu)化效果

(1)水泵臨界工作淹沒(méi)水深大致隨水泵揚(yáng)程的增加而降低；同揚(yáng)程下，方案一與方案二單泵運(yùn)行時(shí)臨界工作淹沒(méi)深度略小于雙泵運(yùn)行。方案三單泵運(yùn)行臨界工作淹沒(méi)深度較高，這是流場(chǎng)不對(duì)稱增加了切向速度，而方案三無(wú)喇叭口平順?biāo)鲗?dǎo)致的。

(2)從臨界工作淹沒(méi)深度角度優(yōu)化效果考察，方案一臨界淹沒(méi)水深最大降低16.7%，方案二臨界淹沒(méi)水深最大降低10.6%，方案三臨界淹沒(méi)水深最大降低58.6%。對(duì)比方案一、方案二發(fā)現(xiàn)，連貫的格擋不僅不能阻礙進(jìn)口旋流，反而使流場(chǎng)紊動(dòng)加劇，優(yōu)化效果變差。

(3)從結(jié)構(gòu)振動(dòng)量角度考察，由于消渦裝置的整流作用，井筒位置振動(dòng)量明顯降低，方案一最為明顯(降低49%～54%)；方案二的減振效果低于方案一，這是喇叭口內(nèi)聯(lián)通的十字格擋對(duì)進(jìn)水的阻礙增加振動(dòng)；方案三的減振效果與方案一相似。

5 結(jié) 論

通過(guò)有限元數(shù)值模擬，水力學(xué)試驗(yàn)及流激振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)賽萊默(中國(guó))設(shè)計(jì)的立式一體化泵閘進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，得出了如下結(jié)論：

(1)有限元計(jì)算結(jié)果顯示，最大撓度為1/8 750；結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為80.8 MPa。濕模態(tài)第一階振動(dòng)頻率為10.66 Hz，其振型為水泵同向順河向振動(dòng)。顯然泵閘結(jié)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度要求。

(2)水力學(xué)試驗(yàn)及流激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，泄水時(shí)，結(jié)構(gòu)最大負(fù)壓為-0.25×9.8 kPa，脈動(dòng)壓力均方根值未超過(guò)2.2 kPa，振動(dòng)加速度均方根值最大為0.53 m/s2；抽水時(shí)，水泵電機(jī)60 Hz超頻運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)量過(guò)大，不適宜長(zhǎng)期運(yùn)行。50 Hz常頻運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)加速度均方根值最大為1.00 m/s2。從動(dòng)力安全性角度驗(yàn)證了其可靠性。

(3)對(duì)于水泵抽水運(yùn)行時(shí)臨界工作淹沒(méi)深度過(guò)高的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。方案三臨界淹沒(méi)水深最大降低58.6%，結(jié)構(gòu)振動(dòng)量一并降低50%左右。優(yōu)化效果明顯，建議將該消渦裝置作為臥式一體化泵閘結(jié)構(gòu)的配套裝置使用。

(4)泵閘一體化裝置具有結(jié)構(gòu)布置緊湊、占地面積小、工程投資節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，因此建議在中小型泵閘工程上進(jìn)行推廣應(yīng)用。

(5)本文對(duì)方案三消渦裝置的研究還不夠透徹，平直段及偏轉(zhuǎn)角度僅有一種組合，下階段將進(jìn)行不同組合的試驗(yàn)，以找出最優(yōu)消渦方案。