拱桥式泵房中立式长轴泵轴系稳定研究

2021-11-04郑录艳黄正财范小娟夏玉宝

广东水利水电 2021年10期

郑录艳，黄正财，范小娟，夏玉宝

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 概述

当取水泵站受布置条件限制不能布置卧式离心泵时，水泵形式可选择立式长轴泵。此类泵站在云贵川等高原地区较为常见。此类工程立式长轴泵的轴系稳定性对于工程能否长期安全稳定运行起着至关重要的作用。贵州省三岔河引子渡提水工程取水水库为已建水库，取水泵站受布置条件影响，一级泵站泵房形式经过综合比较后确定为拱桥式泵房，水泵选择立式长轴泵。立式长轴泵的轴系稳定性直接影响泵的安全运行和使用寿命。国内很多学者对立式长轴泵轴系稳定做了大量分析研究[1-12]。本文从外界设施和内部结构等方面入手，对其泵站水泵轴系稳定进行研究，提出针对性的工程措施方案，为类似工程提供有益的参考。

2 长轴泵特性及布置方式

贵州省三岔河引子渡提水工程一级泵站共设8台立式长轴泵。本工程所用立式长轴泵流量大、扬程高，单台水泵设计流量为1 350 m3/h，设计扬程为 117.29 m，配套电机功率为1 000 kW。8台泵分两列布置于拱桥泵房内，每列设置4台立式长轴泵，并分别通过1根管径为1 100 mm的压力钢管输水至高位水池。本工程取水水库死水位为 1 052.00 m，校核洪水位为1 091.09 m，为满足运行要求所用立式长轴泵下井深度为42 m。水泵直接从水库取水，布置方式如图1所示。

图1 泵站立面布置示意

目前国内已投入运行的立式长轴泵中单泵流量、提水扬程、下井深度同时达到这么大规模的工程甚少，这就要求方案设计时既要兼顾大流量又要考虑其轴系稳定性。轴系部件是立式长轴泵的核心部件，轴系稳定性直接影响泵的安全稳定及运行寿命。

3 轴系稳定措施

为了保障泵组轴系稳定，方案设计时主要从外界设施和机组内部结构入手，另外为保证轴系稳定运行，运行初期准备工作也很重要。

3.1 外界设施设计方案

3.1.1拱桥泵房抗风稳定设计

本工程水泵机组布置于拱桥泵房内，水泵在启动过程以及运行时，不可避免地会引起拱桥的振动，拱桥在承受静力作用的同时，还要承受水泵运行时产生的动荷载。反过来，拱桥振动过大时，也会对水泵以及拱上排架厂房结构的运行安全性和稳定性产生影响。当水泵动力变化频率和拱桥结构的自振频率相等或接近时，引起的共振会使拱桥与水泵之间的动力响应加剧，严重时甚至会产生意外的破坏。

改善结构的振动性能是振动控制的关键，除提高拱圈自身的刚度外，还应考虑拱圈与拱上建筑物联合受力以提高结构的整体刚度，达到改善结构整体振动性能的目的。拟定拱上简支结构、重型连续钢架拱上结构、轻型连续钢架拱上结构这3种拱圈结构方案进行分析比选。

从结构静力计算分析来看(主要参数计算结果见表1)，拱上简支结构对应的裸拱模型、轻型连续钢架拱上结构模型较优，结构安全更容易保障，重型连续钢架拱上结构受力对温度变化、沉降非常敏感，结构配筋较为困难。进一步分析，当拱的计算考虑拱上钢架与主拱圈联合受力后，不仅钢架对拱圈的受力会有影响，反过来拱圈对钢架的受力同样有影响，这将间接导致了结构受力的复杂。综合结构静力情况，拱上建筑物宜采用简支结构。

表1 静力分析计算

从结构动力计算分析来看(主要参数计算结果见表2)，拱上简支结构对应的裸拱模型、重型连续钢架拱上结构、轻型连续钢架拱上结构共振时的变形、承载力均能满足水利行业的有关规定，当动荷载按频率稳定变化时，三者的动力差异不大。

表2 动力分析计算

从施工难易来看，后两者静力复杂，本桥桥面较宽(宽度达17 m)，为实现桥面与立柱刚性连接的可靠，不仅需要可靠的结构设计措施，更需要可靠安全的施工措施作为保障。而拱上简支结构对应的裸拱模型能满足静力、动力要求的条件下，其具有受力明确、简单、可靠的特点，同时施工也简单方便。

综上，建议采用拱上桥面系采用简支结构。

3.1.2扬水管抗风稳定设计

水库水位变幅较大，水泵下井深度较大，而泵站位于垭口地形，风环境复杂，故水泵扬水管在低水位时的抗风稳定性也至关重要，因此在每台主泵扬水管外设有护管，并在主拱下部布置折线拱对水泵护管进行约束(见图1)，考虑到结构承载能力，水泵护管重量由上部主拱承担，下部折线拱仅提供水平约束，护管穿过折线拱部分采用柔性材料填充钢管与开孔之间的间隙，护管之间用工字钢焊接在一起以增强稳定性。

3.2 内部结构设计方案

3.2.1轴承跨度设计

立式长轴泵轴系径向荷载一般由滑动轴承来承担，所起作用就是限制轴系的径向自由度。所谓轴承跨度指的是相邻两个滑动轴承间的距离。

根据立式长轴泵下井深度，合理选择轴承跨度，既提高了设备的可靠运行，又保障了产品的经济性。轴承跨度选择过大，往往造成设备运行不稳定、振动大、噪声大等问题。轴承跨度选择过小，轴的支撑点增加，径向滑动轴承数量就要增多，增加成本投入。实际工程中常使用“比照设计”来确定轴承跨度。按照离心油泵标准API 610的推荐图表(见图2)，根据设备转速、轴径等来确定支撑跨度，进而确定轴承跨度。

3.2.2轴的分段设计

本工程所用立式长轴泵下井深度长达42 m，泵轴设计时采用等跨度分段设计。按照等跨度进行泵轴设计(经过对轴径、临界转速的计算，结合图2查得导轴承之间最大间隔为2.1 m，进而确定每段轴长度为2.1 m)，既能满足转子的运行要求，又能提高零件的互换性；同时又能在满足扭矩要求的情况下，减小滑动轴承位置处的轴颈尺寸，降低轴承速度，提高轴承寿命。

图2 API 610推荐的导轴承之间的最大间隔(括号内数字为英寸)

3.2.3接轴方式设计

泵轴设计时采用分段设计，因此，接轴方式设计成为轴系设计的重要组成部分。目前常用的立式长轴泵接轴方式有套筒式接轴、夹壳式接轴、锥套式等[13]。

1) 套筒式接轴

套筒式接轴结构如图3所示，该种接轴结构由套筒、定位环、键、紧定螺钉等零件组成。

图3 套筒式接轴示意

套筒式接轴方式工作原理：① 将加工有键槽的套筒预先装在轴上；② 定位环与卡槽配合实现轴向定位、承担轴向荷载(被连接的轴端设有定位卡槽)；③ 滑动套筒穿过定位环至轴肩；④ 拧紧紧定螺钉，防止松脱。

该接轴方式具有刚性较好、结构简单、承载可靠、运行稳定、拆装方便等优点；但为了控制轴系的同轴度及轴向尺寸偏差，零件的加工精度要求较高；由于其零件的配合间隙较小，输送介质若含有结晶物质等进入可能造成维修时套筒拆卸困难，故建议在清水介质条件下使用该结构。

2) 夹壳式接轴结构

夹壳式接轴结构如图4所示，该种接轴结构由分半夹壳、定位环、键、紧定螺钉等零件组成。

图4 夹壳式接轴示意

夹壳式接轴方式原理与套筒式相似，都是采用键来传递扭矩。不同点在于它将加工精度较高的完整套筒沿轴中心剖开，并设置了螺纹孔。待定位环和卡槽配合后，将分半夹壳装于轴颈处，并拧紧紧定螺钉使夹壳紧紧的“抱住”轴，实现联轴。

夹壳式接轴结构较套筒结构具有定位精度高的优点；但零件质量较大，使用前应进行平衡检验，去除偏心质量，而且夹壳等零件装配后原有的组件平衡精度可能会发生偏移，故不建议在高速条件下使用。

3) 锥套式接轴结构

锥套式接轴结构如图5所示，由外锥套、内锥套、键、紧定螺钉等零件组成，锥套式接轴结构，使用键传递扭矩。轴的径向和轴向定位均通过内锥套来实现。

图5 锥套式接轴示意

内锥套一端设计有法兰端面，中间设有定位环；内锥套整体精加工后与外锥套内孔进行研配，内外锥度一致后，以线切割的方式，沿中心面将内锥套一分为二。外锥套端面加工有与内锥套通孔对应的螺纹孔。拧紧紧定螺栓后，外锥套挤压内锥套，使内锥套抱紧联接的轴颈，从而实现径向定位。

这种接轴形式与前两者相比，具有定位精度高、拆装方便、适用面广的优点；但对内外套加工精度要求较高，加工和检测难度较大，工艺性相对复杂。

本提水工程输送介质为清水、机组转速为 1 500 r/min属于高速设备，结合上述接轴方式的特点，本工程长轴泵接轴方式采用套筒式接轴结构。

3.2.4轴承选材

滑动轴承是立式长轴泵的重要部件，其性能优良与否直接影响机组的运行稳定。立式长轴泵故障原因通常是由于滑动轴承过度磨损造成。最先磨损的一般是下部轴承，磨损发生后轴承间隙慢慢变大，间隙增大到一定程度时叶轮和泵体密封环发生接触对磨，最后导致转子轴系振动、噪声等超标。而轴承选材对轴承的可靠工作至关重要[14-15]。目前橡胶、陶瓷等材料被广泛用于制作水润滑轴承：

1) 橡胶轴承

橡胶轴承具有较好的磨损性能，可用模塑成型方法获得所需形状和尺寸，成本较低。橡胶轴承具有弹性，工作平稳，可减少冲击和噪音。橡胶轴承良好的化学稳定性，工作时无腐蚀问题，可适应各种输送介质。超高分子量聚乙烯、硬质橡胶等都是橡胶轴承的优良材料，超高分子量聚乙烯具有机械强度高、硬度大、摩擦系数低、耐磨性能极佳等优点，在现代工程中被广泛应用。

2) 陶瓷轴承

用于轴承制造的陶瓷材料通常为碳化硅。陶瓷轴承具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、抗氧化等优点，因此被广泛应用于各个领域。但轴系较长的长轴泵应用中，其硬度较高会导致其易碎。根据行业统计，一般建议陶瓷轴承用于轴系长度≤15 m的情况。

本提水工程长轴泵下井深度为42 m,结合上述轴承材料特点，轴承材料选择超高分子橡胶材料。