大型泵站机组飞逸转速的确定及电机强度设计

潘志军，陈 鲁，何 勇，朱少芳(.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 009;.兰溪市水利水电勘测设计所，浙江 金华 00;.日立泵制造(无锡)有限公司，江苏 无锡 45)

大型泵站机组飞逸转速的确定及电机强度设计

潘志军1，陈 鲁2，何 勇1，朱少芳3
(1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310019;2.兰溪市水利水电勘测设计所，浙江 金华 321100;3.日立泵制造(无锡)有限公司，江苏 无锡 214115)

以杭州三堡排涝工程为例，针对水泵机组设备重要参数飞逸转速确定进行分析，用最终确定的参数对电动机制造设计计算复核，经过建模计算，分析认为对电动机机械强度安全是有裕度的，能确保设备安全.同时也从工程角度说明选定合理的技术参数是经济可靠的工程建设原则，对其他同类工程建设有借鉴意义.

机组；飞逸转速；机械强度

0 引 言

对于泵站选型设计而言，水泵的流量、扬程、效率是重点关注的特征参数[1]，其它特征参数一般参考专业设计规范或手册来确定.在泵站工程建设中，除非选型特殊且未有同类型泵站应用成功案例，一般从工程可行性研究到工程初步设计阶段不进行泵装置模型专题设计研究来验证选型设计的合理性[2,5].杭州三堡泵站初步设计阶段选用的3600ZXQ50—3.65型轴流泵，选配T3300—8/1730型同步电动机，配齿轮箱变速，水泵转轮模型为TJ04—ZL—06[7].三堡泵站建在杭州三堡钱塘江与京杭运行的交汇处，受钱塘江潮位的变化水泵扬程变幅较大，水泵选型的合理性成为工程建设成败的关键因素[3].建设单位根据初步设计选型招标确定水泵制造单位后开展的泵装置模型制造与试验，试验台选择中水北方勘测设计研究院有限责任公司天津水力模型通用试验台.试验结果表明水泵装置各项参数符合相应设计规范要求，个别参数优于水利部南水北调水泵模型天津水力模型通用试验台同台测试结果[6]，同时发现水泵最大飞逸转速在额定转速的1.65倍左右[4,6]，模型试验验收专家建议在水泵、电动机制造设计时对机械强度进行计算复核.本文通过分析确定最终飞逸转速值作为计算电动机机组机械强度制造设计依据，确保电动机在飞逸工况下运行安全.

1 泵站概况

杭州三堡排涝工程作为太湖流域防洪规划推荐实施的防洪骨干工程之一，是以防洪排涝为主，结合改善水环境的大型排涝工程[7].泵站主厂房内主机层和装配场相连，长69.44 m，总体宽度为51.5 m.泵站设单机流量50 m3/s水泵机组四台，总排涝流量200 m3/s，Ⅰ等工程.选用3600ZXQ50—3.65型轴流泵，额定转速115.4 r/min，斜30°安装，选配T3300—8/1730型同步电动机，输出功率3 300 kW，额定转速750 r/min，水泵和电机之间选用两级圆柱齿轮箱减速器，传递功率3 300 kW，输出传动比为6.50 ∶1.泵站内四台机组斜式一字排列布置，因出水口钱塘江潮位的变化使机组扬程变化较大，水泵机组运行条件复杂，特别是高潮位运行时机组发生飞逸事故工况时需保证机组机械安全稳定，在泵站泵装置模型试验后开展的相关专题分析研究，为机组制造设计提供重要的技术支撑，最后确定机组制造设计方案.

2 水泵装置最大飞逸转速的确定

水泵在停机过程中或在事故状态下，出口工作闸门和事故闸门完全失效，水从出口往进口反向流动，水泵电动机机组发生反转，这时达到的最大反转转速为水泵的飞逸转速.三堡泵站出现最大反转的转速可能是在外江钱塘江高潮位，内河在起排水位时，水泵恰巧在最高扬程，闸门控制失灵，理论上可以达到机组最大飞逸转速，对泵站机组设备造成伤害最大，在泵站运行管理中要避免这种极端工况的出现，但同时在工程设计中要充分考虑最不利工况下的机组安全.

2.1 水泵装置模型试验结果

三堡泵站斜30°轴流泵装置模型试验在天津水力模型通用试验台上进行测试，该试验台通过国家级计量认证，具备国家级水力机械原、模型验收试验资质[6].试验依据《水泵模型及装置模型验收规程》(SL140—2006)进行.模型水泵装置主要包括进口流道、泵段以及出口流道三部分，泵段包括叶轮和导叶体，其中叶轮和导叶的叶片数分别为3片和6片，叶轮直径为299.4 mm，叶轮叶片间隙为0.15 mm.

模型泵飞逸特性试验是测定模型泵在反转且输出扭矩为零时的转速.试验时辅助泵反向供水，将电机反转，测量轴扭矩为+0与-0两个飞逸转速值，经线性差值计算出在轴扭矩为0时飞逸转速值，并计算出单位飞逸转速.单位飞逸转速计算公式：

式中:n0—单位飞逸转速，r/min； nM—试验测得的转速，r/min； DM—模型叶轮直径，m； HM—试验时的扬程，m.

模型试验时，在每个叶片角度下，将各个扬程下的转速测出，就可以根据以上公式计算出模型泵在每个叶片角度下的单位飞逸转速.

本次飞逸试验进行了8个叶片安放角的飞逸转速试验，其单位飞逸转速(见表1)，单位飞逸转速试验曲线(见图1).

表1 模型单位飞逸转速试验结果

叶片安放角度/(°)+4+20-1.5-2-4-6-8单位飞逸转速/(r/min)326.113344.526344.889353.553356.950362.827356.035371.426

真机飞逸转速在不考虑真机摩擦损失以及转动惯量等因素时模型与真机的单位飞逸转速相等.则真机的飞逸转速为：

式中:n—真机飞逸转速，r/min； n0—单位飞逸转速，r/min； D—水泵叶轮直径，m； H—水泵工作扬程，m.

图1 XZ—2010—01单位飞逸转速曲线

2.2 水泵装置飞逸转速分析

三堡泵站水泵中标单位投标时水泵制造设计参数叶轮直径D=3.56 m，转速115.4 r/min.水泵运行时运行角度为-1.5°～+4°之间.根据上述飞逸转速试验结果水泵在设计净扬程3.65 m，叶片角度为+4°时，原型水泵的飞逸转速为：

K=175/115.4=1.52(倍)

在设计扬程为3.65 m，三堡泵站设计运行叶片角度为-1.5°时，原型水泵的飞逸转速为：

K=189.74/115.4=1.65(倍)

根据模型试验规范，真机的飞逸转速值是在不考虑真机摩擦损失以及转动惯量等因素的，实际上原型水泵机组都有一定的转动惯量，根据机械设计手册转动惯量的公式，三堡泵站机组的转动惯量为：J=J1+J2×i2(式中：J1和J2分别为水泵和电动机本身的转动惯量，齿轮箱的转动惯量忽略.i传动比)，同时在真机运行中存在轴承、填料、齿轮箱、电机等一系列摩擦损失，据此可以肯定真机的最大飞逸转速值要比模型单位飞逸转速换算的值要略小.为确保水泵电动机机组机械安全，选用水泵1.65倍飞逸转速作为水泵、电动机制造机械强度设计是安全的，对泵站稳定运行是有保障的.

3 飞逸转速时的电动机机械强度计算

3.1 计算的理论依据

在超速运转时电动机磁极线圈、磁轭、极靴产生的离心力随转速成平方关系增加，导致磁极线圈、磁轭、极靴的危险断面弯矩可能大于许用应力，对电动机设计而言合理确定超速值进行机械强度设计是电动机安全的关键因素，同时也要兼顾制造成本.根据水泵装置模型试验飞逸转速值对电动机机械强度进行计算复核，在最不利工况转速值复核三堡泵站电动机机械强度是有安全保障的.

计算的基础依据是刚体动力学理论，转轮旋转的平衡方程为：

式中：J—表示转子系的转动惯量； ω—转子系随时间变化的角速度； ∑M—转子上作用的各种力矩的合力矩.

3.2 复核计算结果分析

TKS900—8/1730型同步电动机，额定转速750 r/min,电动机在额定转速的1.65倍时鸽尾、磁轭、极靴的强度计算：

(1)磁极各参数

鸽尾、磁轭、极靴强度计算导入各参数分析示意图(见图2).

(2)在1.65倍额定转速即1 237.5 r/min时，鸽尾危险截面当量应力为1 030 kg/cm2，鸽尾最小截面的拉应力为463 kg/cm2，磁轭危险截面的拉应力为825 kg/cm2，初选材料为Q235时，σs=2 350 kg/cm2，则磁极上最小安全系数为η=2 350/1 030=2.28；选材料为Q345时，σs=3 450 kg/cm2，则磁极上最小安全系数为η=3 450/1 030=3.35，可见材料Q345强度满足要求.参数计算(见图3).

(3)在1.65倍额定转速即1 237.5 r/min时，极靴的危险断面完全应力为1 108.4 kg/cm2，初选材料为Q235时，σs=2 350 kg/cm2，极靴的安全系数为η=2 350/1 108.4=2.12；选极靴材料为Q345，σs=3 450 kg/cm2，极靴的安全系数为η=3 450/1 108.4=3.11，可见材料Q345强度满足要求.参数(见图4).

通过对磁极材料Q235与Q345进行了对比，常规材料Q235制造在1.65倍超速下，危险断面的应力安全系数偏小，不满足要求，而选用Q345材料制造能满足在1.65倍超速下，危险断面的应力满足要求，且选用强度能力更高材料则不能满足电动机导磁性能.

图3 鸽尾、磁轭应力计算参数图

图4 鸽尾、磁轭应力计算参数图

4 结 论

通过泵装置模型试验及计算分析来最终确定的机组设备飞逸转速值并作为泵站机组制造中机械强度计算复核，经过建模计算，分析认为对电动机机械强度安全是有裕度的，能确保设备安全.通过分析主要结论如下：

(1)在扬程变幅较大的低扬程，大流量排涝泵站的建设中，进行水泵装置模型试验是验证装置性能的一种手段，其试验结果对原型泵的制造设计提供有力技术支撑，并进一步对个别参数进行优化是合适的.

(2)泵装置模型在不同叶片角度下的单位飞逸转速不同，其数值大小随叶片角度的增大而减小.用水泵装置模型试验的结果作为水泵机组在超速情况下的机械强度计算复核是可行的，对机组在最不利工况下安全运行是有保障的.

(3)在扬程变幅复杂的大型泵站建设中，通过泵装置模型试验、机组制造设计、泵站真机运行验证各阶段成果，对大型泵站最不利工况时的设计参数选择积累经验，为其他泵站建设借鉴.

[1] 丘传忻.泵站[M].北京：中国水利水电出版社,2004.

[2] 关醒凡.轴流泵和斜流泵[M].北京：中国宇航出版社,2009.

[3] 蔡宏伟,潘利国.杭州三堡排涝工程水泵选型分析[J].浙江水利科技,2011(3):28-30.

[4] 金国栋，潘志军,孟金波.斜式轴流泵装置模型的飞逸特性研究[J].水动力学研究与进展,2013,28(5):591-596.

[5] 关醒凡，黄道见,刘厚林.南水北调工程大型轴流泵选型中值得注意的几个问题[J].水泵技术,2002(2):13-16.

[6] 何成连,张弋杨,姜海峰,等.杭州三堡泵站斜轴30度水泵装置模型试验报告[R],2010：52-53.

[7] 陈 舟，潘卫平.杭州三堡排涝工程初步设计报告[R],2009:311-340.

[8] 盛大先.机械设计手册[M].5版.第1卷.北京：化学工业出版社，2008:1-96.

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

浙江省重大科技专项重点工业资金资助项目(2011C11068)

潘志军(1976-)，男，浙江慈溪人，高级工程师，从事水利工程设计研究和建设管理工作.

TV734

A

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