淺談泵站機墩動力計算

吳松寶

（上海市政設計研究總院（集團）合肥分公司,安徽 合肥 230000）

0 前言

泵站設計的核心是機組運行要穩定可靠,而電機支承結構是設計的關鍵。由于機組龐大,轉動動量大,運轉期間會對電機支承結構產生強迫振動,甚至形成共振,影響泵站的正常運行,主要不利影響包括：機組振動,降低裝置的效率；軸流泵因振動而使導軸承嚴重磨損,固定螺釘振斷脫落,以致斷軸的事故發生；擺度過大,使整座泵房振動,伴隨震耳的噪音,使人不敢接近機組等。

水泵振動包括機械振動、電磁振動、水力振動三個方面。機械方面的振動主要是由機組的制造、安裝質量較差引起的。由于機組轉動部分質量不均或機組中心線安裝有偏差,即機組轉動部分質量中心與機組中心存在偏心距。造成在機組運行時,會產生水平離心力,使機組軸系統發生弓狀回旋并引起廠房結構振動。機組轉動部分與靜止部分碰撞,以及軸承間隙過大或主軸過細,都會造成機組的振動。機械不平衡現象是普遍存在的,機械振動是機組的主要振源之一,其振動頻率多為轉頻或者其倍數；電磁振動主要由轉子磁極形狀變異或定子、轉子不同心等導致磁場引力不均勻、定子鐵芯松動等引起,其頻率為轉動頻率或者其倍數。水力沖擊引起的振動。由于不穩定流場和轉輪葉片與導水葉之間的流體動力干涉,產生高頻的壓力脈動。轉輪葉片在每轉一周經過導葉尾流時,會受到一次干涉。水力沖擊引起的振動頻率主要由導葉、轉輪葉片和轉輪轉頻率疊加組成。

泵站的主要振源和頻率特性可歸納為上述三類,其中機械振動和水力沖擊引起的振動是廠房的主要振源,發生的概率高,是廠房結構動力分析復核的重點。電磁振動主要由設備缺陷和安裝精度不足引起,可通過檢修,消除機組缺陷,降低振動影響。

大中型泵站對于電機梁進行動力計算是十分重要的,根據《泵站設計標準》（GB 50265-2022）相關條文規定,單機功率在1600 kW 以上的立式軸流泵機組及單機功率在500 kW 以上的臥式離心泵機組需要進行動力計算[1]。

以下結合某大型泵站,淺談機墩動力計算相關要點。

1 工程概況

某排澇泵站位于長江江堤堤內側,具有機排及自排功能,設計抽排流量為105 m3/s,安裝6 臺立式全調節混流泵,配套電機的總裝機為13800 kW,泵站工程規模為大（2）型,等別為Ⅱ等。

水泵型式為立式全調節混流泵,肘形流道進水、彎管出水,水泵與電機直接連接,電機機墩采用縱梁牛腿式。水泵葉輪直徑2200 mm、額定轉速為200 r/min；水泵模型推薦選用TJ11-HL-04。配套額定轉速為200 r/min、功率2300 kW同步電機,主要參數見表1。

表1 泵站主要機電設備參數表

2 機墩垂直振動動力分析

2.1 振動控制指標

泵站設計規范廠房機墩結構提出了共振復核和振幅的控制標準,對廠房結構的總體振動控制標準,目前還沒有統一明確的規定[2]。由于廠房結構既是設備的基礎,又是運行人員的工作場所,泵站對廠房結構的振動主要從結構安全要求、設備基礎要求及人體保健要求三方面加以評估。在這三個方面中,泵站設備基礎振動控制標準還未具體規定；人體保健要求對振動的控制標準分為聽覺和觸覺兩個方面,其中關于聽覺,水電行業在《水利水電工程勞動安全與工業衛生設計規范》（GB 50706-2011）中,提出了泵站工作場所的噪聲限制值,規定泵站電機層、水泵房等設備房間的噪聲限制值為85 dB；結構安全則是振動分析最為主要的方面,在《泵站設計標準》（GB 50265-2022）中對重要部位機組機墩的動力計算進行了規定,主要是驗算機墩在振動荷載作用下會不會產生共振,并對振幅和動力系數進行驗算。

（1）共振驗算,要求機墩強迫振動頻率與自振頻率之差和自振頻率的比值不小于20%；

（2）振幅的驗算,應分析阻尼的影響,要求最大垂直振幅不超過0.15 mm,最大水平振幅不超過0.2 mm；

（3）動力系數的驗算,可忽略阻尼的影響,要求動力系數的驗算結果為1.3～1.5；

（4）結構自振頻率與激振頻率之差和自振頻率之比,或激振頻率與結構自振頻率之差和激振頻率之比,應大于20%～30%,以防共振。

2.2 計算方法、工況及荷載

（1）計算方法

《泵站設計標準》（GB 50265-2022）未提供相應的計算方法,主要是參照《水電站廠房設計規范》（SL 266-2014）、《水工設計手冊》第9 卷進行計算。需要計算的內容包括強迫振動頻率、自振頻率、共振校核、振幅驗算及動力系數復核等。

（2）計算工況

結構的自振頻率由于要考慮隨運行水頭變化而變化的垂直水壓力[3]。因此,機墩自振頻率是在一定范圍內變化的；由于機組從啟動到正常運行,速度是變化的,因此機組運行的頻率也是變化的。規范對計算工況沒有明確規定,原則上應對各荷載工況下,在不同工作轉速0.75 倍～1.25 倍對應頻率范圍進行掃頻計算,一般要計算設計工況。

（3）計算荷載

作用在機墩上的荷載,應根據機組的型式、結構及傳力方式分析確定。機墩承受的荷載包括靜荷載、動荷載。

垂直靜荷載:結構自重、電機定子重、機架及附屬設備重等。需要注意的是在計算自振頻率時,需要將軸向水壓力計算進來,軸向水壓力作為機墩的附加荷載,這是很多設計人員容易忽視的方面。

垂直動荷載：發電機轉子連輔重、勵磁機轉子重、水輪機轉輪連軸重及軸向水推力。

水平動荷載：由機組轉動部分質量中心和機組中心偏心距e 引起的水平離心。

2.3 計算過程

該站電機機墩結構初擬為：縱梁牛腿式,每個電機機墩2 個縱梁,梁高1.5 m,梁寬1 m,凈跨度6500 mm,凈間距3500 mm。牛腿從中墩或邊墩懸出,牛腿長1.5 m,寬1.2 m,端部高1.0 m,根部高2 m。

針對電機梁的振動分析,建立包括電機梁在內的泵室整體結構的有限元模型并進行分析,以確定電機梁在機組運行狀況下的頻響位移,為設計提供依據。站房整體有限元模型見圖1。

圖1 泵室整體及電機梁有限元模型及網格劃分

圖2 電機機墩自振頻率計算成果

（1）電機機墩自振頻率

計算成果：水平自振頻率：59.22 Hz/s,折合為3553.2 次/min；垂直自振頻率：69.24 Hz/s,折合為4154.4 次/min。

（2）強迫振動頻率

電機梁自振計強迫振動頻率：

水平強迫振動頻率：為電機的額定轉速200 r/mim。

垂直強迫振動頻率：

式中：n 為電機額定轉速,r/mim；n1為垂直強迫振動頻率,次/min；X1為水泵導葉體的葉片數,X1=7；X2為水泵葉輪的葉片數,X2=3；a 為X1、X2最大公約數,a=1。

（3）共振校核

泵站機組在運轉過程中,當機組的振動頻率和其固有頻率接近或相等時,機組會發生強烈的振動,即發生共振。為避免共振的發生,有必要對可能引起站房結構振動的振源及其頻率進行分析,與站房結構的固有頻率進行初步的共振校核[4]。泵站的激振源主要有機械、電氣和水力3 個方面從以往的研究可以看出這3 個方面激振源的激振頻率均與機組轉頻有很大關系,一般與機組轉頻相同或是其整數倍。計算公式如下：

垂直方向：若n1＜n01,且,可以認為不發生共振；式中,n1為強迫振動頻率；n01為自振頻率。

根據以上計算結果,初步擬定的結構電機梁自振頻率與強迫振動頻率接近,根據《泵站設計規范》（GB 50265-2010）第6.5.9 條的規定：“機墩強迫振動頻率與自振頻率之差和自振頻率的比值不小于20%”進行共振校核。即時,便認為可能產生共振,因此原擬定的機墩結構共振校核不滿足要求,需要調整結構尺寸[1]。經調整,電機梁高度由1.5 m 增加至1.6 m,梁的凈跨度由6.5 m 減小至5.5 m,結構調整后,對電機梁自振頻率與機組額定轉頻、葉頻及導葉水力沖擊引起的振動頻率進行校核,自振頻率均大于強迫振動頻率,且分離度大于20%,不會發生共振,動力計算成果滿足規范要求。

（4）動力系數核算

根據《泵站設計標準》（GB 50265-2022）以及相關規范進行電機梁的結構動力系數核算,動力系數按下式計算：

式中：η為動力系數；ni為強迫振動頻率,Hz；noi為自由振動振頻率,Hz。

電機梁自振頻率與各強迫振動頻率相應的動力系數校驗見表2。

表2 電機梁動力系數校驗表

由表2 可知,各階下的電機梁結構自振頻率與強迫振動頻率相應的動力系數均＜1.5,滿足規范要求。

3 結語

通過對該泵站的動力計算分析可知：對站房進行模態分析時,由于產生位移的區域分布在電機梁附近,同時電機梁是承載水泵重量以及電機重量的關鍵部位,因此在對站房穩定性進行分析時,電機梁的穩定性分析是非常必要的。通過ANSYS 等有限元軟件,對泵站站房及電機梁進行結構自振特性分析,得到了結構的自振頻率。通過對站房及電機梁的自振頻率與強迫振動頻率進行共振校核,當自振頻率與強迫振動頻率的分離度大于20%時不會引起共振。對電機梁的結構進行動力系數核算,電機梁結構自振頻率與各強迫振動頻率相應的動力系數＜1.5,電機梁荷載采用1.5 的動力系數可保證結構設計安全。

大型泵站應重視水泵、電機的機墩計算。機墩應具有足夠的剛度,否則共振復核難以滿足[5-6]。機墩的動力計算成果應采用有限元法、公式法等多種方法復核。機墩的自振頻率計算,應包含軸向水壓力荷載,水壓力荷載作為機墩上的附加質量。