拱橋式泵房中立式長軸泵軸系穩(wěn)定研究

鄭錄艷，黃正財，范小娟，夏玉寶

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 概述

當(dāng)取水泵站受布置條件限制不能布置臥式離心泵時，水泵形式可選擇立式長軸泵。此類泵站在云貴川等高原地區(qū)較為常見。此類工程立式長軸泵的軸系穩(wěn)定性對于工程能否長期安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。貴州省三岔河引子渡提水工程取水水庫為已建水庫，取水泵站受布置條件影響，一級泵站泵房形式經(jīng)過綜合比較后確定為拱橋式泵房，水泵選擇立式長軸泵。立式長軸泵的軸系穩(wěn)定性直接影響泵的安全運行和使用壽命。國內(nèi)很多學(xué)者對立式長軸泵軸系穩(wěn)定做了大量分析研究[1-12]。本文從外界設(shè)施和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面入手，對其泵站水泵軸系穩(wěn)定進(jìn)行研究，提出針對性的工程措施方案，為類似工程提供有益的參考。

2 長軸泵特性及布置方式

貴州省三岔河引子渡提水工程一級泵站共設(shè)8臺立式長軸泵。本工程所用立式長軸泵流量大、揚程高，單臺水泵設(shè)計流量為1 350 m3/h，設(shè)計揚程為 117.29 m，配套電機(jī)功率為1 000 kW。8臺泵分兩列布置于拱橋泵房內(nèi)，每列設(shè)置4臺立式長軸泵，并分別通過1根管徑為1 100 mm的壓力鋼管輸水至高位水池。本工程取水水庫死水位為 1 052.00 m，校核洪水位為1 091.09 m，為滿足運行要求所用立式長軸泵下井深度為42 m。水泵直接從水庫取水，布置方式如圖1所示。

圖1 泵站立面布置示意

目前國內(nèi)已投入運行的立式長軸泵中單泵流量、提水揚程、下井深度同時達(dá)到這么大規(guī)模的工程甚少，這就要求方案設(shè)計時既要兼顧大流量又要考慮其軸系穩(wěn)定性。軸系部件是立式長軸泵的核心部件，軸系穩(wěn)定性直接影響泵的安全穩(wěn)定及運行壽命。

3 軸系穩(wěn)定措施

為了保障泵組軸系穩(wěn)定，方案設(shè)計時主要從外界設(shè)施和機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，另外為保證軸系穩(wěn)定運行，運行初期準(zhǔn)備工作也很重要。

3.1 外界設(shè)施設(shè)計方案

3.1.1拱橋泵房抗風(fēng)穩(wěn)定設(shè)計

本工程水泵機(jī)組布置于拱橋泵房內(nèi)，水泵在啟動過程以及運行時，不可避免地會引起拱橋的振動，拱橋在承受靜力作用的同時，還要承受水泵運行時產(chǎn)生的動荷載。反過來，拱橋振動過大時，也會對水泵以及拱上排架廠房結(jié)構(gòu)的運行安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)水泵動力變化頻率和拱橋結(jié)構(gòu)的自振頻率相等或接近時，引起的共振會使拱橋與水泵之間的動力響應(yīng)加劇，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生意外的破壞。

改善結(jié)構(gòu)的振動性能是振動控制的關(guān)鍵，除提高拱圈自身的剛度外，還應(yīng)考慮拱圈與拱上建筑物聯(lián)合受力以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，達(dá)到改善結(jié)構(gòu)整體振動性能的目的。擬定拱上簡支結(jié)構(gòu)、重型連續(xù)鋼架拱上結(jié)構(gòu)、輕型連續(xù)鋼架拱上結(jié)構(gòu)這3種拱圈結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析比選。

從結(jié)構(gòu)靜力計算分析來看(主要參數(shù)計算結(jié)果見表1)，拱上簡支結(jié)構(gòu)對應(yīng)的裸拱模型、輕型連續(xù)鋼架拱上結(jié)構(gòu)模型較優(yōu)，結(jié)構(gòu)安全更容易保障，重型連續(xù)鋼架拱上結(jié)構(gòu)受力對溫度變化、沉降非常敏感，結(jié)構(gòu)配筋較為困難。進(jìn)一步分析，當(dāng)拱的計算考慮拱上鋼架與主拱圈聯(lián)合受力后，不僅鋼架對拱圈的受力會有影響，反過來拱圈對鋼架的受力同樣有影響，這將間接導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜。綜合結(jié)構(gòu)靜力情況，拱上建筑物宜采用簡支結(jié)構(gòu)。

表1 靜力分析計算

從結(jié)構(gòu)動力計算分析來看(主要參數(shù)計算結(jié)果見表2)，拱上簡支結(jié)構(gòu)對應(yīng)的裸拱模型、重型連續(xù)鋼架拱上結(jié)構(gòu)、輕型連續(xù)鋼架拱上結(jié)構(gòu)共振時的變形、承載力均能滿足水利行業(yè)的有關(guān)規(guī)定，當(dāng)動荷載按頻率穩(wěn)定變化時，三者的動力差異不大。

表2 動力分析計算

從施工難易來看，后兩者靜力復(fù)雜，本橋橋面較寬(寬度達(dá)17 m)，為實現(xiàn)橋面與立柱剛性連接的可靠，不僅需要可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，更需要可靠安全的施工措施作為保障。而拱上簡支結(jié)構(gòu)對應(yīng)的裸拱模型能滿足靜力、動力要求的條件下，其具有受力明確、簡單、可靠的特點，同時施工也簡單方便。

綜上，建議采用拱上橋面系采用簡支結(jié)構(gòu)。

3.1.2揚水管抗風(fēng)穩(wěn)定設(shè)計

水庫水位變幅較大，水泵下井深度較大，而泵站位于埡口地形，風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，故水泵揚水管在低水位時的抗風(fēng)穩(wěn)定性也至關(guān)重要，因此在每臺主泵揚水管外設(shè)有護(hù)管，并在主拱下部布置折線拱對水泵護(hù)管進(jìn)行約束(見圖1)，考慮到結(jié)構(gòu)承載能力，水泵護(hù)管重量由上部主拱承擔(dān)，下部折線拱僅提供水平約束，護(hù)管穿過折線拱部分采用柔性材料填充鋼管與開孔之間的間隙，護(hù)管之間用工字鋼焊接在一起以增強(qiáng)穩(wěn)定性。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.2.1軸承跨度設(shè)計

立式長軸泵軸系徑向荷載一般由滑動軸承來承擔(dān)，所起作用就是限制軸系的徑向自由度。所謂軸承跨度指的是相鄰兩個滑動軸承間的距離。

根據(jù)立式長軸泵下井深度，合理選擇軸承跨度，既提高了設(shè)備的可靠運行，又保障了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。軸承跨度選擇過大，往往造成設(shè)備運行不穩(wěn)定、振動大、噪聲大等問題。軸承跨度選擇過小，軸的支撐點增加，徑向滑動軸承數(shù)量就要增多，增加成本投入。實際工程中常使用“比照設(shè)計”來確定軸承跨度。按照離心油泵標(biāo)準(zhǔn)API 610的推薦圖表(見圖2)，根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、軸徑等來確定支撐跨度，進(jìn)而確定軸承跨度。

3.2.2軸的分段設(shè)計

本工程所用立式長軸泵下井深度長達(dá)42 m，泵軸設(shè)計時采用等跨度分段設(shè)計。按照等跨度進(jìn)行泵軸設(shè)計(經(jīng)過對軸徑、臨界轉(zhuǎn)速的計算，結(jié)合圖2查得導(dǎo)軸承之間最大間隔為2.1 m，進(jìn)而確定每段軸長度為2.1 m)，既能滿足轉(zhuǎn)子的運行要求，又能提高零件的互換性；同時又能在滿足扭矩要求的情況下，減小滑動軸承位置處的軸頸尺寸，降低軸承速度，提高軸承壽命。

圖2 API 610推薦的導(dǎo)軸承之間的最大間隔(括號內(nèi)數(shù)字為英寸)

3.2.3接軸方式設(shè)計

泵軸設(shè)計時采用分段設(shè)計，因此，接軸方式設(shè)計成為軸系設(shè)計的重要組成部分。目前常用的立式長軸泵接軸方式有套筒式接軸、夾殼式接軸、錐套式等[13]。

1) 套筒式接軸

套筒式接軸結(jié)構(gòu)如圖3所示，該種接軸結(jié)構(gòu)由套筒、定位環(huán)、鍵、緊定螺釘?shù)攘慵M成。

圖3 套筒式接軸示意

套筒式接軸方式工作原理：① 將加工有鍵槽的套筒預(yù)先裝在軸上；② 定位環(huán)與卡槽配合實現(xiàn)軸向定位、承擔(dān)軸向荷載(被連接的軸端設(shè)有定位卡槽)；③ 滑動套筒穿過定位環(huán)至軸肩；④ 擰緊緊定螺釘，防止松脫。

該接軸方式具有剛性較好、結(jié)構(gòu)簡單、承載可靠、運行穩(wěn)定、拆裝方便等優(yōu)點；但為了控制軸系的同軸度及軸向尺寸偏差，零件的加工精度要求較高；由于其零件的配合間隙較小，輸送介質(zhì)若含有結(jié)晶物質(zhì)等進(jìn)入可能造成維修時套筒拆卸困難，故建議在清水介質(zhì)條件下使用該結(jié)構(gòu)。

2) 夾殼式接軸結(jié)構(gòu)

夾殼式接軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，該種接軸結(jié)構(gòu)由分半夾殼、定位環(huán)、鍵、緊定螺釘?shù)攘慵M成。

圖4 夾殼式接軸示意

夾殼式接軸方式原理與套筒式相似，都是采用鍵來傳遞扭矩。不同點在于它將加工精度較高的完整套筒沿軸中心剖開，并設(shè)置了螺紋孔。待定位環(huán)和卡槽配合后，將分半夾殼裝于軸頸處，并擰緊緊定螺釘使夾殼緊緊的“抱住”軸，實現(xiàn)聯(lián)軸。

夾殼式接軸結(jié)構(gòu)較套筒結(jié)構(gòu)具有定位精度高的優(yōu)點；但零件質(zhì)量較大，使用前應(yīng)進(jìn)行平衡檢驗，去除偏心質(zhì)量，而且夾殼等零件裝配后原有的組件平衡精度可能會發(fā)生偏移，故不建議在高速條件下使用。

3) 錐套式接軸結(jié)構(gòu)

錐套式接軸結(jié)構(gòu)如圖5所示，由外錐套、內(nèi)錐套、鍵、緊定螺釘?shù)攘慵M成，錐套式接軸結(jié)構(gòu)，使用鍵傳遞扭矩。軸的徑向和軸向定位均通過內(nèi)錐套來實現(xiàn)。

圖5 錐套式接軸示意

內(nèi)錐套一端設(shè)計有法蘭端面，中間設(shè)有定位環(huán)；內(nèi)錐套整體精加工后與外錐套內(nèi)孔進(jìn)行研配，內(nèi)外錐度一致后，以線切割的方式，沿中心面將內(nèi)錐套一分為二。外錐套端面加工有與內(nèi)錐套通孔對應(yīng)的螺紋孔。擰緊緊定螺栓后，外錐套擠壓內(nèi)錐套，使內(nèi)錐套抱緊聯(lián)接的軸頸，從而實現(xiàn)徑向定位。

這種接軸形式與前兩者相比，具有定位精度高、拆裝方便、適用面廣的優(yōu)點；但對內(nèi)外套加工精度要求較高，加工和檢測難度較大，工藝性相對復(fù)雜。

本提水工程輸送介質(zhì)為清水、機(jī)組轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min屬于高速設(shè)備，結(jié)合上述接軸方式的特點，本工程長軸泵接軸方式采用套筒式接軸結(jié)構(gòu)。

3.2.4軸承選材

滑動軸承是立式長軸泵的重要部件，其性能優(yōu)良與否直接影響機(jī)組的運行穩(wěn)定。立式長軸泵故障原因通常是由于滑動軸承過度磨損造成。最先磨損的一般是下部軸承，磨損發(fā)生后軸承間隙慢慢變大，間隙增大到一定程度時葉輪和泵體密封環(huán)發(fā)生接觸對磨，最后導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸系振動、噪聲等超標(biāo)。而軸承選材對軸承的可靠工作至關(guān)重要[14-15]。目前橡膠、陶瓷等材料被廣泛用于制作水潤滑軸承：

1) 橡膠軸承

橡膠軸承具有較好的磨損性能，可用模塑成型方法獲得所需形狀和尺寸，成本較低。橡膠軸承具有彈性，工作平穩(wěn)，可減少沖擊和噪音。橡膠軸承良好的化學(xué)穩(wěn)定性，工作時無腐蝕問題，可適應(yīng)各種輸送介質(zhì)。超高分子量聚乙烯、硬質(zhì)橡膠等都是橡膠軸承的優(yōu)良材料，超高分子量聚乙烯具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、摩擦系數(shù)低、耐磨性能極佳等優(yōu)點，在現(xiàn)代工程中被廣泛應(yīng)用。

2) 陶瓷軸承

用于軸承制造的陶瓷材料通常為碳化硅。陶瓷軸承具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但軸系較長的長軸泵應(yīng)用中，其硬度較高會導(dǎo)致其易碎。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，一般建議陶瓷軸承用于軸系長度≤15 m的情況。

本提水工程長軸泵下井深度為42 m,結(jié)合上述軸承材料特點，軸承材料選擇超高分子橡膠材料。

3.3 運行注意事項

3.3.1軸向間隙調(diào)整

立式長軸泵安裝好后，在正式運行之前，首先應(yīng)進(jìn)行葉輪軸向間隙的調(diào)整[16]。水泵葉輪間隙是指葉輪葉片前邊緣和導(dǎo)流殼間的縫隙(見圖6)。

圖6 長軸泵葉輪軸向間隙示意

此間隙如果太小，葉輪和導(dǎo)水殼將產(chǎn)生機(jī)械摩擦，運行時就會磨壞葉輪。如果間隙過大，則水的回流量加大，減小了出水量，降低了水泵的效率。因此必須進(jìn)行調(diào)節(jié)使其間隙保持一定的數(shù)值。

調(diào)節(jié)共分兩步：首先是初步調(diào)整，就是在水泵安裝好后進(jìn)行調(diào)整，使其軸向間隙保持較大的數(shù)值，一般為2～5 mm(如傳動軸較長，此值可適當(dāng)加大)。其次，在水泵試運行16～20 h、各個聯(lián)軸器都自動旋緊之后，停機(jī)運行再次調(diào)整，使軸向間隙達(dá)到可能的最小值。

3.3.2軸承預(yù)潤

立式長軸泵每次起動運行前，必須對傳動軸的導(dǎo)軸承進(jìn)行預(yù)先潤滑，以減少摩阻力，否則起動后機(jī)組會發(fā)生激烈振動，軸和軸承會發(fā)生干摩擦，嚴(yán)重時可使傳動軸彎曲甚至斷裂。

設(shè)計時設(shè)置了專門的潤滑水系統(tǒng)(包括過濾設(shè)施、潤滑水管路等)。提前投入潤滑水系統(tǒng)，達(dá)到既定時長后起動水泵，起泵后仍應(yīng)繼續(xù)提供潤滑水直至水泵停機(jī)。水泵無論是在初次運行或長期停機(jī)后再次運行前，都應(yīng)該進(jìn)行預(yù)潤、避免軸承磨損。

4 結(jié)語

為提高本工程拱橋式泵房中立式長軸泵軸系穩(wěn)定性，應(yīng)采取以下措施：

1) 立式長軸泵布置于拱橋上，設(shè)計時應(yīng)充分考慮如何改善拱橋振動性能、合理選擇拱圈結(jié)構(gòu)型式。

2) 為保證布置于拱橋(或其他風(fēng)環(huán)境復(fù)雜)泵房的立式長軸泵能穩(wěn)定運行，采用套管等防風(fēng)措施對揚水管進(jìn)行保護(hù)。

3) 對于下井深度較大的立式長軸水泵，泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計時需對軸承跨度、傳動軸分段進(jìn)行合理分析計算；對套筒連軸方式、軸承材質(zhì)等進(jìn)行合理選擇。

4) 立式長軸泵試運行期或運行初期一定要做好軸向間隙調(diào)整、軸承預(yù)潤等工作。