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。隨著城市化水平的提高，征地成本及環(huán)境要求使這一缺點日益凸顯。而一體化泵閘具有工期短、占地小、運行費用低的優(yōu)點，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)濟和社會效益。

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)洪水來流量較大，無法自流泄洪時，啟動水泵抽水強排；或城市水景觀工程中，當(dāng)內(nèi)河水位小于城市設(shè)計景觀水位時，關(guān)閉閘門，啟動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

目前國內(nèi)外學(xué)者對軸流泵及平板閘門各自的流激振動特性研究較多。張德勝等[1]對變轉(zhuǎn)速下軸流泵的壓力脈動以及振動特性進行研究，發(fā)現(xiàn)模型不同位置的振動以1倍頻和2倍頻為主。垂向振動大于水平向。李忠等[2]對變工況下的軸流泵的振動特性，發(fā)現(xiàn)振動量和流量的變化趨勢和揚程與流量的變化關(guān)系基本一致。馬斌等[3]對水工閘門振動的現(xiàn)狀進行了綜述。沈春穎等[4]對平面閘門進行流場-振動同步測量，發(fā)現(xiàn)閘門振動最大值出現(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]對用于改善河流水質(zhì)的生態(tài)閘門泵裝置的泵進行研究與優(yōu)化。

但鮮有學(xué)者對水泵及閘門的結(jié)合體進行研究，水泵振動-井筒內(nèi)水流壓力脈動-河道內(nèi)水流紊動的荷載組合極為復(fù)雜，其對泵閘結(jié)構(gòu)的振動危害程度仍屬未知?，F(xiàn)今一體化泵閘在國外已有應(yīng)用實例，但國內(nèi)應(yīng)用案例極少。因此，本文的研究對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)有限公司的飛力一體化泵閘項目，對一門雙泵的臥式表孔一體化泵閘進行研究(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)模型及水彈性振動模型，三者互相結(jié)合以研究泵閘不同條件運行時的安全性。

1 靜動力安全性數(shù)值分析

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

動力特性計算，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題。

本計算中臥式一體化泵閘有限元模型由618個體單元構(gòu)成；單元劃分尺寸為0.04 m；離散單元采用solid187單元，共離散758 021個單元，237 189個節(jié)點。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 靜力計算

數(shù)值計算結(jié)果如圖2所示。應(yīng)力位移云圖可見圖2(a)和圖2(b)。在靜力計算中，于閘門面板施加6.5 m靜水壓力。計算結(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)滿足強度要求。

1.2 動力計算

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

圖2 數(shù)值計算結(jié)果

2 模型試驗

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)所受水動力荷載、泄水抽水工況下結(jié)構(gòu)的振動特性。采用江蘇東華測試DH5922N動態(tài)采集儀進行動態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析。試驗水槽簡圖如圖3所示。

圖3 試驗水槽

2.1 試驗?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水壓力分布，在閘門面板及井筒共設(shè)置12個時均壓力測點(M1～M12)和10個脈動壓力傳感器(P1～P10)，具體如圖4所示。

(2)水彈性模型：根據(jù)動力試驗相似準(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)為獲取泵閘運行過程中的振動特性，在泵閘構(gòu)重點部位共布置了2個三向振動加速度傳感器(A1，A2)，分別測量順河向(X)，橫河向(Y)及垂向(Z)的振動加速度。測點布置可見圖4。

圖4 動水壓力和振動加速度測點布置圖

2.2 基于HHT的時頻分析介紹

信號處理采用隨機振動理論、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?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)和Hilbert變換兩部分組成，先將原始信號經(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，后對每個IMF利用解析信號相位求導(dǎo)定義計算出有意義的瞬時頻率和瞬時幅值，獲得信號的Hilbert時頻譜。該方法無需信號的先驗知識，分解過程完全由數(shù)據(jù)自身驅(qū)動，克服了FFT分析無法獲得信號的時域信息，短時傅里葉變換的時域、頻域分辨率相矛盾，小波變換對小波基的敏感和信號能量泄露的問題，具有自適應(yīng)性、完備性、近似正交性和IMF分量的調(diào)制性，是一種后驗的方法。

2.3 水動力安全性評價

水動力試驗的目的在于研究各工況下的水流流態(tài)，不同測點的時均及脈動壓力變化規(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試驗奠定基礎(chǔ)。試驗工況如表1所示。

表1 泄水試驗工況組合

2.3.1 時均動水壓力特征

試驗表明，面板及底緣壓力隨上下游水位及泵閘開度的不同而呈一定變化規(guī)律，上游測點時均動水壓力水頭接近上游側(cè)水位，下游測點時均動水壓力則隨泵閘開度的不同而存在一定變幅，測點越接近門體變幅越大，隨后逐漸降低直至接近下游水深。水流過閘后，部分勢能轉(zhuǎn)換為動能，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 脈動水壓力特征

典型脈動水壓力特征如圖5所示。水流脈動壓力是泵閘泄水過程中引發(fā)流激振動的主要動荷載，其中包括由水躍、波浪對門體沖擊引起的壓力脈動，對泵閘振動量造成影響的是壓力脈動強度及功率譜特征。試驗結(jié)果表明，泵閘結(jié)構(gòu)的總脈動壓力荷載隨閘門開度的增加呈先增后減的趨勢。因下游發(fā)生臨界水躍，受到涌浪的強烈沖擊，上游井筒的P9，P10，閘門底緣的P1，P4，脈動壓力仍然較大還未衰減。而當(dāng)閘門開度進一步增大，直至下游產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍時，這4處測點的脈動壓力將會降低。隨著上下游水位差的逐漸增大，結(jié)構(gòu)的總脈動壓力峰值依次出現(xiàn)在開度50%，40%，30%(即工況1-5,工況2-4,工況3-3)；不同工況，不同部位各測點的脈動壓力均方根值都沒有超過2.2 kPa,功率譜分析得出泵閘水流脈動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 脈動壓力特征

3 振動安全性評價

結(jié)構(gòu)振動安全性評價主要通過水彈性模型試驗進行，試驗分泄水與抽水兩大工況。泄水試驗分為兩大類：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。抽水試驗工況以電機頻率50 Hz正常工作狀態(tài)為主要研究工況；同時還考查了60 Hz超頻模式和30 Hz低頻節(jié)能模式下的泵閘運行狀態(tài)。具體試驗工況如表3所示。

表2 泄水試驗工況組合

表3 抽水試驗工況組合

3.1 泄水工況振動特性

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

圖6 振動加速度特征

3.2 抽水工況振動特性

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轉(zhuǎn)帶來的振動載荷作用。

典型振動加速度特征如圖7所示。試驗結(jié)果表明：從整體上看，泵閘各測點振動加速度均方根值隨轉(zhuǎn)速加快而增加。泵閘結(jié)構(gòu)振動量在工況2井筒垂向達到最大，為1.54 m/s2；在工況1井筒橫河向達到最大，為1.00 m/s2。水泵電機頻率為50.0 Hz，60.0 Hz及30.0 Hz時，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)。由時頻圖可知，電機頻率為60.0 Hz時，結(jié)構(gòu)的振動頻率集中在29.5 Hz左右，時間歷程上也較均勻?？梢娫诔樗r下，水泵運轉(zhuǎn)導(dǎo)致的振動是泵閘結(jié)構(gòu)的主要荷載。

圖7 振動加速度特征

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

4 消渦裝置研究

抽水試驗中發(fā)現(xiàn)下游水深不夠高時，下游產(chǎn)生連續(xù)吸氣旋渦，不僅影響抽水效率，還會損壞結(jié)構(gòu)安全。但原方案的臨界工作淹沒深度[11]過大(將工作淹沒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用性不足。從土建角度考慮可開挖河道以增加水泵淹沒水深，但該方案不僅造價高昂，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，進而降低臨界工作淹沒深度。

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小進口流速的作用，以達到減小切向速度的作用進而減小環(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進水口的旋流進行阻擋，進一步平順?biāo)鳌?/p>

圖8 消渦裝置

方案三的彎曲進水口，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，不僅增加了進水口的淹沒深度，而且使入水口與來流方向成一定夾角，進一步減小了切向速度，從而降低臨界工作淹沒深度。

消渦裝置通過螺栓與水泵進口處的井筒相連。試驗將原方案設(shè)置為對照組，用以量化比較消渦裝置的功效。各套方案分別設(shè)置三種水泵揚程，單泵及雙泵運行進行試驗，具體工況如表4所示。同時，對泵閘的振動量也進行測量以全面掌握優(yōu)化效果。

表4 抽水試驗工況組合

試驗結(jié)果如圖9所示。試驗得出如下結(jié)論：

圖9 優(yōu)化效果

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

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

(3)從結(jié)構(gòu)振動量角度考察，由于消渦裝置的整流作用，井筒位置振動量明顯降低，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)通的十字格擋對進水的阻礙增加振動；方案三的減振效果與方案一相似。

5 結(jié) 論

通過有限元數(shù)值模擬，水力學(xué)試驗及流激振動試驗對賽萊默(中國)設(shè)計的立式一體化泵閘進行了全面系統(tǒng)的研究，得出了如下結(jié)論：

(1)有限元計算結(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)第一階振動頻率為10.66 Hz，其振型為水泵同向順河向振動。顯然泵閘結(jié)構(gòu)滿足剛度和強度要求。

(2)水力學(xué)試驗及流激振動試驗結(jié)果表明，泄水時，結(jié)構(gòu)最大負(fù)壓為-0.25×9.8 kPa，脈動壓力均方根值未超過2.2 kPa，振動加速度均方根值最大為0.53 m/s2；抽水時，水泵電機60 Hz超頻運行時，振動量過大，不適宜長期運行。50 Hz常頻運行時，振動加速度均方根值最大為1.00 m/s2。從動力安全性角度驗證了其可靠性。

(3)對于水泵抽水運行時臨界工作淹沒深度過高的問題進行優(yōu)化。方案三臨界淹沒水深最大降低58.6%，結(jié)構(gòu)振動量一并降低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，因此建議在中小型泵閘工程上進行推廣應(yīng)用。

(5)本文對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，下階段將進行不同組合的試驗，以找出最優(yōu)消渦方案。