大型泵站機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速的確定及電機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

潘志軍，陳 魯，何 勇，朱少芳(.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 009;.蘭溪市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)所，浙江 金華 00;.日立泵制造(無錫)有限公司，江蘇 無錫 45)

大型泵站機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速的確定及電機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

潘志軍1，陳 魯2，何 勇1，朱少芳3
(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310019;2.蘭溪市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)所，浙江 金華 321100;3.日立泵制造(無錫)有限公司，江蘇 無錫 214115)

以杭州三堡排澇工程為例，針對(duì)水泵機(jī)組設(shè)備重要參數(shù)飛逸轉(zhuǎn)速確定進(jìn)行分析，用最終確定的參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)制造設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核，經(jīng)過建模計(jì)算，分析認(rèn)為對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度安全是有裕度的，能確保設(shè)備安全.同時(shí)也從工程角度說明選定合理的技術(shù)參數(shù)是經(jīng)濟(jì)可靠的工程建設(shè)原則，對(duì)其他同類工程建設(shè)有借鑒意義.

機(jī)組；飛逸轉(zhuǎn)速；機(jī)械強(qiáng)度

0 引 言

對(duì)于泵站選型設(shè)計(jì)而言，水泵的流量、揚(yáng)程、效率是重點(diǎn)關(guān)注的特征參數(shù)[1]，其它特征參數(shù)一般參考專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范或手冊(cè)來確定.在泵站工程建設(shè)中，除非選型特殊且未有同類型泵站應(yīng)用成功案例，一般從工程可行性研究到工程初步設(shè)計(jì)階段不進(jìn)行泵裝置模型專題設(shè)計(jì)研究來驗(yàn)證選型設(shè)計(jì)的合理性[2,5].杭州三堡泵站初步設(shè)計(jì)階段選用的3600ZXQ50—3.65型軸流泵，選配T3300—8/1730型同步電動(dòng)機(jī)，配齒輪箱變速，水泵轉(zhuǎn)輪模型為TJ04—ZL—06[7].三堡泵站建在杭州三堡錢塘江與京杭運(yùn)行的交匯處，受錢塘江潮位的變化水泵揚(yáng)程變幅較大，水泵選型的合理性成為工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵因素[3].建設(shè)單位根據(jù)初步設(shè)計(jì)選型招標(biāo)確定水泵制造單位后開展的泵裝置模型制造與試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)選擇中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司天津水力模型通用試驗(yàn)臺(tái).試驗(yàn)結(jié)果表明水泵裝置各項(xiàng)參數(shù)符合相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，個(gè)別參數(shù)優(yōu)于水利部南水北調(diào)水泵模型天津水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)同臺(tái)測(cè)試結(jié)果[6]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵最大飛逸轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的1.65倍左右[4,6]，模型試驗(yàn)驗(yàn)收專家建議在水泵、電動(dòng)機(jī)制造設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算復(fù)核.本文通過分析確定最終飛逸轉(zhuǎn)速值作為計(jì)算電動(dòng)機(jī)機(jī)組機(jī)械強(qiáng)度制造設(shè)計(jì)依據(jù)，確保電動(dòng)機(jī)在飛逸工況下運(yùn)行安全.

1 泵站概況

杭州三堡排澇工程作為太湖流域防洪規(guī)劃推薦實(shí)施的防洪骨干工程之一，是以防洪排澇為主，結(jié)合改善水環(huán)境的大型排澇工程[7].泵站主廠房內(nèi)主機(jī)層和裝配場相連，長69.44 m，總體寬度為51.5 m.泵站設(shè)單機(jī)流量50 m3/s水泵機(jī)組四臺(tái)，總排澇流量200 m3/s，Ⅰ等工程.選用3600ZXQ50—3.65型軸流泵，額定轉(zhuǎn)速115.4 r/min，斜30°安裝，選配T3300—8/1730型同步電動(dòng)機(jī)，輸出功率3 300 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，水泵和電機(jī)之間選用兩級(jí)圓柱齒輪箱減速器，傳遞功率3 300 kW，輸出傳動(dòng)比為6.50 ∶1.泵站內(nèi)四臺(tái)機(jī)組斜式一字排列布置，因出水口錢塘江潮位的變化使機(jī)組揚(yáng)程變化較大，水泵機(jī)組運(yùn)行條件復(fù)雜，特別是高潮位運(yùn)行時(shí)機(jī)組發(fā)生飛逸事故工況時(shí)需保證機(jī)組機(jī)械安全穩(wěn)定，在泵站泵裝置模型試驗(yàn)后開展的相關(guān)專題分析研究，為機(jī)組制造設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)支撐，最后確定機(jī)組制造設(shè)計(jì)方案.

2 水泵裝置最大飛逸轉(zhuǎn)速的確定

水泵在停機(jī)過程中或在事故狀態(tài)下，出口工作閘門和事故閘門完全失效，水從出口往進(jìn)口反向流動(dòng)，水泵電動(dòng)機(jī)機(jī)組發(fā)生反轉(zhuǎn)，這時(shí)達(dá)到的最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為水泵的飛逸轉(zhuǎn)速.三堡泵站出現(xiàn)最大反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速可能是在外江錢塘江高潮位，內(nèi)河在起排水位時(shí)，水泵恰巧在最高揚(yáng)程，閘門控制失靈，理論上可以達(dá)到機(jī)組最大飛逸轉(zhuǎn)速，對(duì)泵站機(jī)組設(shè)備造成傷害最大，在泵站運(yùn)行管理中要避免這種極端工況的出現(xiàn)，但同時(shí)在工程設(shè)計(jì)中要充分考慮最不利工況下的機(jī)組安全.

2.1 水泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果

三堡泵站斜30°軸流泵裝置模型試驗(yàn)在天津水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，該試驗(yàn)臺(tái)通過國家級(jí)計(jì)量認(rèn)證，具備國家級(jí)水力機(jī)械原、模型驗(yàn)收試驗(yàn)資質(zhì)[6].試驗(yàn)依據(jù)《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收規(guī)程》(SL140—2006)進(jìn)行.模型水泵裝置主要包括進(jìn)口流道、泵段以及出口流道三部分，泵段包括葉輪和導(dǎo)葉體，其中葉輪和導(dǎo)葉的葉片數(shù)分別為3片和6片，葉輪直徑為299.4 mm，葉輪葉片間隙為0.15 mm.

模型泵飛逸特性試驗(yàn)是測(cè)定模型泵在反轉(zhuǎn)且輸出扭矩為零時(shí)的轉(zhuǎn)速.試驗(yàn)時(shí)輔助泵反向供水，將電機(jī)反轉(zhuǎn)，測(cè)量軸扭矩為+0與-0兩個(gè)飛逸轉(zhuǎn)速值，經(jīng)線性差值計(jì)算出在軸扭矩為0時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算出單位飛逸轉(zhuǎn)速.單位飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

式中:n0—單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min； nM—試驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)速，r/min； DM—模型葉輪直徑，m； HM—試驗(yàn)時(shí)的揚(yáng)程，m.

模型試驗(yàn)時(shí)，在每個(gè)葉片角度下，將各個(gè)揚(yáng)程下的轉(zhuǎn)速測(cè)出，就可以根據(jù)以上公式計(jì)算出模型泵在每個(gè)葉片角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速.

本次飛逸試驗(yàn)進(jìn)行了8個(gè)葉片安放角的飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，其單位飛逸轉(zhuǎn)速(見表1)，單位飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)曲線(見圖1).

表1 模型單位飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果

葉片安放角度/(°)+4+20-1.5-2-4-6-8單位飛逸轉(zhuǎn)速/(r/min)326.113344.526344.889353.553356.950362.827356.035371.426

真機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速在不考慮真機(jī)摩擦損失以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素時(shí)模型與真機(jī)的單位飛逸轉(zhuǎn)速相等.則真機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為：

式中:n—真機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速，r/min； n0—單位飛逸轉(zhuǎn)速，r/min； D—水泵葉輪直徑，m； H—水泵工作揚(yáng)程，m.

圖1 XZ—2010—01單位飛逸轉(zhuǎn)速曲線

2.2 水泵裝置飛逸轉(zhuǎn)速分析

三堡泵站水泵中標(biāo)單位投標(biāo)時(shí)水泵制造設(shè)計(jì)參數(shù)葉輪直徑D=3.56 m，轉(zhuǎn)速115.4 r/min.水泵運(yùn)行時(shí)運(yùn)行角度為-1.5°～+4°之間.根據(jù)上述飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果水泵在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.65 m，葉片角度為+4°時(shí)，原型水泵的飛逸轉(zhuǎn)速為：

K=175/115.4=1.52(倍)

在設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.65 m，三堡泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行葉片角度為-1.5°時(shí)，原型水泵的飛逸轉(zhuǎn)速為：

K=189.74/115.4=1.65(倍)

根據(jù)模型試驗(yàn)規(guī)范，真機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速值是在不考慮真機(jī)摩擦損失以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素的，實(shí)際上原型水泵機(jī)組都有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的公式，三堡泵站機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=J1+J2×i2(式中：J1和J2分別為水泵和電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略.i傳動(dòng)比)，同時(shí)在真機(jī)運(yùn)行中存在軸承、填料、齒輪箱、電機(jī)等一系列摩擦損失，據(jù)此可以肯定真機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速值要比模型單位飛逸轉(zhuǎn)速換算的值要略小.為確保水泵電動(dòng)機(jī)機(jī)組機(jī)械安全，選用水泵1.65倍飛逸轉(zhuǎn)速作為水泵、電動(dòng)機(jī)制造機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的，對(duì)泵站穩(wěn)定運(yùn)行是有保障的.

3 飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算的理論依據(jù)

在超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)磁極線圈、磁軛、極靴產(chǎn)生的離心力隨轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系增加，導(dǎo)致磁極線圈、磁軛、極靴的危險(xiǎn)斷面彎矩可能大于許用應(yīng)力，對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)而言合理確定超速值進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)是電動(dòng)機(jī)安全的關(guān)鍵因素，同時(shí)也要兼顧制造成本.根據(jù)水泵裝置模型試驗(yàn)飛逸轉(zhuǎn)速值對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，在最不利工況轉(zhuǎn)速值復(fù)核三堡泵站電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度是有安全保障的.

計(jì)算的基礎(chǔ)依據(jù)是剛體動(dòng)力學(xué)理論，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的平衡方程為：

式中：J—表示轉(zhuǎn)子系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ω—轉(zhuǎn)子系隨時(shí)間變化的角速度； ∑M—轉(zhuǎn)子上作用的各種力矩的合力矩.

3.2 復(fù)核計(jì)算結(jié)果分析

TKS900—8/1730型同步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速750 r/min,電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的1.65倍時(shí)鴿尾、磁軛、極靴的強(qiáng)度計(jì)算：

(1)磁極各參數(shù)

鴿尾、磁軛、極靴強(qiáng)度計(jì)算導(dǎo)入各參數(shù)分析示意圖(見圖2).

(2)在1.65倍額定轉(zhuǎn)速即1 237.5 r/min時(shí)，鴿尾危險(xiǎn)截面當(dāng)量應(yīng)力為1 030 kg/cm2，鴿尾最小截面的拉應(yīng)力為463 kg/cm2，磁軛危險(xiǎn)截面的拉應(yīng)力為825 kg/cm2，初選材料為Q235時(shí)，σs=2 350 kg/cm2，則磁極上最小安全系數(shù)為η=2 350/1 030=2.28；選材料為Q345時(shí)，σs=3 450 kg/cm2，則磁極上最小安全系數(shù)為η=3 450/1 030=3.35，可見材料Q345強(qiáng)度滿足要求.參數(shù)計(jì)算(見圖3).

(3)在1.65倍額定轉(zhuǎn)速即1 237.5 r/min時(shí)，極靴的危險(xiǎn)斷面完全應(yīng)力為1 108.4 kg/cm2，初選材料為Q235時(shí)，σs=2 350 kg/cm2，極靴的安全系數(shù)為η=2 350/1 108.4=2.12；選極靴材料為Q345，σs=3 450 kg/cm2，極靴的安全系數(shù)為η=3 450/1 108.4=3.11，可見材料Q345強(qiáng)度滿足要求.參數(shù)(見圖4).

通過對(duì)磁極材料Q235與Q345進(jìn)行了對(duì)比，常規(guī)材料Q235制造在1.65倍超速下，危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力安全系數(shù)偏小，不滿足要求，而選用Q345材料制造能滿足在1.65倍超速下，危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力滿足要求，且選用強(qiáng)度能力更高材料則不能滿足電動(dòng)機(jī)導(dǎo)磁性能.

圖3 鴿尾、磁軛應(yīng)力計(jì)算參數(shù)圖

圖4 鴿尾、磁軛應(yīng)力計(jì)算參數(shù)圖

4 結(jié) 論

通過泵裝置模型試驗(yàn)及計(jì)算分析來最終確定的機(jī)組設(shè)備飛逸轉(zhuǎn)速值并作為泵站機(jī)組制造中機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算復(fù)核，經(jīng)過建模計(jì)算，分析認(rèn)為對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度安全是有裕度的，能確保設(shè)備安全.通過分析主要結(jié)論如下：

(1)在揚(yáng)程變幅較大的低揚(yáng)程，大流量排澇泵站的建設(shè)中，進(jìn)行水泵裝置模型試驗(yàn)是驗(yàn)證裝置性能的一種手段，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)原型泵的制造設(shè)計(jì)提供有力技術(shù)支撐，并進(jìn)一步對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是合適的.

(2)泵裝置模型在不同葉片角度下的單位飛逸轉(zhuǎn)速不同，其數(shù)值大小隨葉片角度的增大而減小.用水泵裝置模型試驗(yàn)的結(jié)果作為水泵機(jī)組在超速情況下的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算復(fù)核是可行的，對(duì)機(jī)組在最不利工況下安全運(yùn)行是有保障的.

(3)在揚(yáng)程變幅復(fù)雜的大型泵站建設(shè)中，通過泵裝置模型試驗(yàn)、機(jī)組制造設(shè)計(jì)、泵站真機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證各階段成果，對(duì)大型泵站最不利工況時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇積累經(jīng)驗(yàn)，為其他泵站建設(shè)借鑒.

[1] 丘傳忻.泵站[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

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Determination of Runaway Speed and Motor Strength Design for Large Pumping Station Unit

PAN Zhi-jun1, CHEN Lu2, HE Yong1, ZHU Shao-fang3

(1.Construction and Management Office of Hangzhou South Drainage Project, Hangzhou 310019, China;2.Lanxi Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Jinhua 321100, China;
3.Hitachi Pump Manufacturing (Wuxi) Co., Ltd, Wuxi 214115, China)

To ensure the project with high-quality and excellent operation, the prophase argumentation, thematic study, and design optimization of large water conservancy project should be further validated in the stages of engineering feasibility study and preliminary design. The determination of runaway speed is focused on in this paper, which is the important parameter of pump unit. In order to ensure the operation safety of the pumping equipment, the motor's manufacturing design and mechanical strength was validated with the proposed parameter. At the same time, from the point of engineering view, it is the principle of economic and reliable engineering construction to select reasonable technical parameters, which can be used for a reference of other similar projects.

large pumping station unit; runaway speed; mechanical strength

2016-02-16

浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)工業(yè)資金資助項(xiàng)目(2011C11068)

潘志軍(1976-)，男，浙江慈溪人，高級(jí)工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)研究和建設(shè)管理工作.

TV734

A

1008-536X(2016)08-0019-05