鳳凰頸泵站機(jī)組故障原因分析

甘衛(wèi)國(guó)

(安徽省機(jī)電排灌總站，安徽 合肥 230022)

鳳凰頸泵站始建于1986年，泵站主體結(jié)構(gòu)為“X”型雙向流道，泵站主要功能為解決巢湖及西河流域洪水出路以及干旱年份為巢湖提供水源， 受益面積近期為2.4×105hm2，遠(yuǎn)景為3.9×105hm2農(nóng)田補(bǔ)充水源，灌溉保證率為90%，直接排灌面積為1.8×105hm2。鳳凰頸泵站自建成以來(lái)，汛期開(kāi)機(jī)排澇13次30256.6臺(tái)時(shí)，排澇56.23×108m3，自流排澇72.58×108m3；提水灌溉5次，提水4.63×108m3，自流引江水抗旱46.66×108m3。運(yùn)行30年來(lái)，總計(jì)經(jīng)濟(jì)效益46億元，同時(shí)改善了巢湖流域水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境，提高內(nèi)河航道通航能力，改善了受益區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)了流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間久，故障頻發(fā)，本文探究鳳凰泵站機(jī)組故障原因，以確保泵站安全運(yùn)行。

1 機(jī)組故障特點(diǎn)

鳳凰頸泵站自1991年投入運(yùn)行以來(lái)，水泵機(jī)組主要運(yùn)行時(shí)段集中在6月下旬至7月上旬汛期低揚(yáng)程排澇，每年運(yùn)行時(shí)間基本在2～9天(2016年開(kāi)機(jī)52天、2020年開(kāi)機(jī)94天)。多年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，主機(jī)組運(yùn)行稍長(zhǎng)時(shí)就出現(xiàn)法蘭處擺度大、機(jī)組振動(dòng)。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵導(dǎo)軸承損壞、軸頸磨損嚴(yán)重、水導(dǎo)螺絲松動(dòng)、葉片根部及葉片固定螺絲斷裂、電機(jī)抗重螺栓松動(dòng)、上下導(dǎo)瓦架支撐螺栓松動(dòng)等問(wèn)題。嚴(yán)重影響泵站安全運(yùn)行，致使泵站維修頻繁，且維修后仍不能從根本上解決機(jī)組的故障問(wèn)題。

針對(duì)泵站主機(jī)組存在問(wèn)題，泵站管理單位也進(jìn)行了相應(yīng)的改造：在泵軸外加設(shè)不銹鋼護(hù)套管來(lái)阻隔引起泵軸振動(dòng)和偏向力的動(dòng)力源，起到降擺減振，改善機(jī)組運(yùn)行狀況。加裝護(hù)套管在機(jī)組運(yùn)行初期的確起到了一定的降擺減振作用，但隨著機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，出現(xiàn)護(hù)套基座的固定螺栓斷裂，致使護(hù)套管脫落，造成機(jī)組振動(dòng)加劇。

2016年汛期，部分機(jī)組轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生異常的金屬撞擊聲，管理單位被迫停機(jī)。后經(jīng)多方專家會(huì)診，初步判斷為固定葉片的螺栓折斷，造成轉(zhuǎn)輪掃膛現(xiàn)象。由于停機(jī)無(wú)法進(jìn)行排澇，給受益區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾帶來(lái)巨大損失。2020年2#機(jī)組出現(xiàn)異響后解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)：固定葉片的螺栓部分松動(dòng)且折、裂，葉片及轉(zhuǎn)輪室汽蝕嚴(yán)重；大軸銹蝕、軸徑磨損較大。

2 機(jī)組故障原因

2.1 進(jìn)水流道水流分析

鳳凰頸泵站進(jìn)水流道采用箱涵雙向進(jìn)水流道，進(jìn)出水流道示意圖如圖1所示。通過(guò)流道閘門(mén)實(shí)現(xiàn)雙向自引、自排、抽引、抽排等功能，采用進(jìn)水喇叭口吸水。進(jìn)水流道內(nèi)水流在進(jìn)入葉輪室前的流動(dòng)可分為在流道內(nèi)向喇叭口處匯集階段和在喇叭管內(nèi)流場(chǎng)調(diào)整階段。在水流向喇叭口處匯集時(shí)，一部分水流直接沖向非運(yùn)行側(cè)盲端區(qū)再折回流入喇叭口，由于盲端區(qū)滯流空間大，折回流入喇叭口的水流形成回流和旋渦，造成水泵進(jìn)水喇叭口下方流速分布嚴(yán)重不均。由于軸流泵進(jìn)水管較短，進(jìn)入水泵喇叭口后水流流場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行充分調(diào)整，從而進(jìn)入葉輪室的流態(tài)紊亂、不均勻，水流壓力脈動(dòng)大，導(dǎo)致水泵葉輪運(yùn)行時(shí)在交變荷載的作用下產(chǎn)生振動(dòng)且葉片根部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致葉片根部產(chǎn)生疲勞破壞、葉片固定螺栓松動(dòng)，甚至發(fā)生斷裂。試驗(yàn)研究表明流道寬度與水泵葉輪直徑比為≥2.84時(shí)，水流對(duì)機(jī)組裝置性能影響較小。進(jìn)水流寬度與水泵葉輪直徑比越小，進(jìn)水流道內(nèi)流速越大，水泵進(jìn)口流速越復(fù)雜，甚至產(chǎn)生渦帶進(jìn)入水泵引起機(jī)組甚至泵房振動(dòng)，影響工程安全運(yùn)行。鳳凰頸泵站進(jìn)水流寬度與水泵葉輪直徑比僅2.38，導(dǎo)致進(jìn)水流道的喇叭口下方流速分布嚴(yán)重不均，葉輪室的流態(tài)紊亂，葉片在交變荷載的作用下產(chǎn)生振動(dòng)和疲勞破壞。

圖1 機(jī)組運(yùn)行時(shí)水流在進(jìn)、出水流道示意圖

2.2 出水流道水流分析

鳳凰頸泵站出水流道采用箱涵雙向出水流道，由于軸流泵導(dǎo)葉出口擴(kuò)散段較短，水流從出水管進(jìn)入出水流道后，雙向出水流道閘門(mén)關(guān)閉側(cè)滯流空間大，水流流入后折回進(jìn)入出水流道，如圖1所示，由于流道寬度偏小，造成水流排出不暢，其壓力明顯高于流入閘門(mén)開(kāi)啟側(cè)水流壓力，水流從導(dǎo)葉體出來(lái)后明顯偏流，出水流道流態(tài)紊亂，造成出水流道的泵軸兩側(cè)的壓力分布不均勻，機(jī)組運(yùn)行時(shí)泵軸不僅受到軸向力的作用，而且受到脈動(dòng)性的水平力作用，增加了泵軸的擺度，加大填料涵、推力瓦和導(dǎo)軸承的磨損，降低了其使用壽命。出水流道泵軸兩側(cè)的壓力分布不均勻又反作用于水泵葉輪，進(jìn)一步增加了葉輪的交變荷載作用，增加了葉片斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。出水流寬度越小，出水流道流速越大，泵軸兩側(cè)脈動(dòng)性的水平力越大，泵軸的擺度越大。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于鳳凰頸泵站是我國(guó)較早建設(shè)的雙向流道泵站，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，無(wú)法進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，且缺乏同類泵站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)借鑒，流道的控制尺寸設(shè)置不合理，進(jìn)、出水流道寬度較小(包含隔墩厚度在內(nèi)的進(jìn)、出水流道總凈寬度7.4 m，現(xiàn)在相同葉輪直徑雙向流道泵站的流道一般約9.0 m)，導(dǎo)致進(jìn)水流道的喇叭管下方流速分布不均，使水泵葉輪運(yùn)行時(shí)受到交變荷載的作用，在葉片根部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，長(zhǎng)期運(yùn)行造成葉片固定螺絲斷裂、葉片根部產(chǎn)生疲破壞等故障。

建議泵站管理單位應(yīng)積極爭(zhēng)取泵站改造資金，加快實(shí)施進(jìn)出水流道改造，消除鳳凰頸泵站存在安全隱患，確保泵站安全運(yùn)行。同時(shí)每年汛后抓緊做好機(jī)組運(yùn)行維護(hù)，確保來(lái)年汛期能安全運(yùn)行，保護(hù)受益區(qū)人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全。