凤凰颈泵站机组故障原因分析

甘卫国

(安徽省机电排灌总站，安徽 合肥 230022)

凤凰颈泵站始建于1986年，泵站主体结构为“X”型双向流道，泵站主要功能为解决巢湖及西河流域洪水出路以及干旱年份为巢湖提供水源， 受益面积近期为2.4×105hm2，远景为3.9×105hm2农田补充水源，灌溉保证率为90%，直接排灌面积为1.8×105hm2。凤凰颈泵站自建成以来，汛期开机排涝13次30256.6台时，排涝56.23×108m3，自流排涝72.58×108m3；提水灌溉5次，提水4.63×108m3，自流引江水抗旱46.66×108m3。运行30年来，总计经济效益46亿元，同时改善了巢湖流域水环境及生态环境，提高内河航道通航能力，改善了受益区农业生产条件，促进了流域内社会经济发展。但水泵机组运行时间久，故障频发，本文探究凤凰泵站机组故障原因，以确保泵站安全运行。

1 机组故障特点

凤凰颈泵站自1991年投入运行以来，水泵机组主要运行时段集中在6月下旬至7月上旬汛期低扬程排涝，每年运行时间基本在2～9天(2016年开机52天、2020年开机94天)。多年运行发现，主机组运行稍长时就出现法兰处摆度大、机组振动。检修时发现水泵导轴承损坏、轴颈磨损严重、水导螺丝松动、叶片根部及叶片固定螺丝断裂、电机抗重螺栓松动、上下导瓦架支撑螺栓松动等问题。严重影响泵站安全运行，致使泵站维修频繁，且维修后仍不能从根本上解决机组的故障问题。

针对泵站主机组存在问题，泵站管理单位也进行了相应的改造：在泵轴外加设不锈钢护套管来阻隔引起泵轴振动和偏向力的动力源，起到降摆减振，改善机组运行状况。加装护套管在机组运行初期的确起到了一定的降摆减振作用，但随着机组长时间运行，出现护套基座的固定螺栓断裂，致使护套管脱落，造成机组振动加剧。

2016年汛期，部分机组转轮室产生异常的金属撞击声，管理单位被迫停机。后经多方专家会诊，初步判断为固定叶片的螺栓折断，造成转轮扫膛现象。由于停机无法进行排涝，给受益区工农业生产和人民群众带来巨大损失。2020年2#机组出现异响后解体检修时发现：固定叶片的螺栓部分松动且折、裂，叶片及转轮室汽蚀严重；大轴锈蚀、轴径磨损较大。

2 机组故障原因

2.1 进水流道水流分析

凤凰颈泵站进水流道采用箱涵双向进水流道，进出水流道示意图如图1所示。通过流道闸门实现双向自引、自排、抽引、抽排等功能，采用进水喇叭口吸水。进水流道内水流在进入叶轮室前的流动可分为在流道内向喇叭口处汇集阶段和在喇叭管内流场调整阶段。在水流向喇叭口处汇集时，一部分水流直接冲向非运行侧盲端区再折回流入喇叭口，由于盲端区滞流空间大，折回流入喇叭口的水流形成回流和旋涡，造成水泵进水喇叭口下方流速分布严重不均。由于轴流泵进水管较短，进入水泵喇叭口后水流流场无法进行充分调整，从而进入叶轮室的流态紊乱、不均匀，水流压力脉动大，导致水泵叶轮运行时在交变荷载的作用下产生振动且叶片根部易产生应力集中，长期运行将导致叶片根部产生疲劳破坏、叶片固定螺栓松动，甚至发生断裂。试验研究表明流道宽度与水泵叶轮直径比为≥2.84时，水流对机组装置性能影响较小。进水流宽度与水泵叶轮直径比越小，进水流道内流速越大，水泵进口流速越复杂，甚至产生涡带进入水泵引起机组甚至泵房振动，影响工程安全运行。凤凰颈泵站进水流宽度与水泵叶轮直径比仅2.38，导致进水流道的喇叭口下方流速分布严重不均，叶轮室的流态紊乱，叶片在交变荷载的作用下产生振动和疲劳破坏。

图1 机组运行时水流在进、出水流道示意图

2.2 出水流道水流分析

凤凰颈泵站出水流道采用箱涵双向出水流道，由于轴流泵导叶出口扩散段较短，水流从出水管进入出水流道后，双向出水流道闸门关闭侧滞流空间大，水流流入后折回进入出水流道，如图1所示，由于流道宽度偏小，造成水流排出不畅，其压力明显高于流入闸门开启侧水流压力，水流从导叶体出来后明显偏流，出水流道流态紊乱，造成出水流道的泵轴两侧的压力分布不均匀，机组运行时泵轴不仅受到轴向力的作用，而且受到脉动性的水平力作用，增加了泵轴的摆度，加大填料涵、推力瓦和导轴承的磨损，降低了其使用寿命。出水流道泵轴两侧的压力分布不均匀又反作用于水泵叶轮，进一步增加了叶轮的交变荷载作用，增加了叶片断裂的风险。出水流宽度越小，出水流道流速越大，泵轴两侧脉动性的水平力越大，泵轴的摆度越大。

3 结束语

由于凤凰颈泵站是我国较早建设的双向流道泵站，受当时技术水平限制，无法进行CFD仿真计算，且缺乏同类泵站设计经验借鉴，流道的控制尺寸设置不合理，进、出水流道宽度较小(包含隔墩厚度在内的进、出水流道总净宽度7.4 m，现在相同叶轮直径双向流道泵站的流道一般约9.0 m)，导致进水流道的喇叭管下方流速分布不均，使水泵叶轮运行时受到交变荷载的作用，在叶片根部易产生应力集中，长期运行造成叶片固定螺丝断裂、叶片根部产生疲破坏等故障。

建议泵站管理单位应积极争取泵站改造资金，加快实施进出水流道改造，消除凤凰颈泵站存在安全隐患，确保泵站安全运行。同时每年汛后抓紧做好机组运行维护，确保来年汛期能安全运行，保护受益区人民群众生命、财产安全。