浅谈泵站机墩动力计算

吴松宝

（上海市政设计研究总院（集团）合肥分公司,安徽 合肥 230000）

0 前言

泵站设计的核心是机组运行要稳定可靠,而电机支承结构是设计的关键。由于机组庞大,转动动量大,运转期间会对电机支承结构产生强迫振动,甚至形成共振,影响泵站的正常运行,主要不利影响包括：机组振动,降低装置的效率；轴流泵因振动而使导轴承严重磨损,固定螺钉振断脱落,以致断轴的事故发生；摆度过大,使整座泵房振动,伴随震耳的噪音,使人不敢接近机组等。

水泵振动包括机械振动、电磁振动、水力振动三个方面。机械方面的振动主要是由机组的制造、安装质量较差引起的。由于机组转动部分质量不均或机组中心线安装有偏差,即机组转动部分质量中心与机组中心存在偏心距。造成在机组运行时,会产生水平离心力,使机组轴系统发生弓状回旋并引起厂房结构振动。机组转动部分与静止部分碰撞,以及轴承间隙过大或主轴过细,都会造成机组的振动。机械不平衡现象是普遍存在的,机械振动是机组的主要振源之一,其振动频率多为转频或者其倍数；电磁振动主要由转子磁极形状变异或定子、转子不同心等导致磁场引力不均匀、定子铁芯松动等引起,其频率为转动频率或者其倍数。水力冲击引起的振动。由于不稳定流场和转轮叶片与导水叶之间的流体动力干涉,产生高频的压力脉动。转轮叶片在每转一周经过导叶尾流时,会受到一次干涉。水力冲击引起的振动频率主要由导叶、转轮叶片和转轮转频率叠加组成。

泵站的主要振源和频率特性可归纳为上述三类,其中机械振动和水力冲击引起的振动是厂房的主要振源,发生的概率高,是厂房结构动力分析复核的重点。电磁振动主要由设备缺陷和安装精度不足引起,可通过检修,消除机组缺陷,降低振动影响。

大中型泵站对于电机梁进行动力计算是十分重要的,根据《泵站设计标准》（GB 50265-2022）相关条文规定,单机功率在1600 kW 以上的立式轴流泵机组及单机功率在500 kW 以上的卧式离心泵机组需要进行动力计算[1]。

以下结合某大型泵站,浅谈机墩动力计算相关要点。

1 工程概况

某排涝泵站位于长江江堤堤内侧,具有机排及自排功能,设计抽排流量为105 m3/s,安装6 台立式全调节混流泵,配套电机的总装机为13800 kW,泵站工程规模为大（2）型,等别为Ⅱ等。

水泵型式为立式全调节混流泵,肘形流道进水、弯管出水,水泵与电机直接连接,电机机墩采用纵梁牛腿式。水泵叶轮直径2200 mm、额定转速为200 r/min；水泵模型推荐选用TJ11-HL-04。配套额定转速为200 r/min、功率2300 kW同步电机,主要参数见表1。

表1 泵站主要机电设备参数表

2 机墩垂直振动动力分析

2.1 振动控制指标

泵站设计规范厂房机墩结构提出了共振复核和振幅的控制标准,对厂房结构的总体振动控制标准,目前还没有统一明确的规定[2]。由于厂房结构既是设备的基础,又是运行人员的工作场所,泵站对厂房结构的振动主要从结构安全要求、设备基础要求及人体保健要求三方面加以评估。在这三个方面中,泵站设备基础振动控制标准还未具体规定；人体保健要求对振动的控制标准分为听觉和触觉两个方面,其中关于听觉,水电行业在《水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范》（GB 50706-2011）中,提出了泵站工作场所的噪声限制值,规定泵站电机层、水泵房等设备房间的噪声限制值为85 dB；结构安全则是振动分析最为主要的方面,在《泵站设计标准》（GB 50265-2022）中对重要部位机组机墩的动力计算进行了规定,主要是验算机墩在振动荷载作用下会不会产生共振,并对振幅和动力系数进行验算。

（1）共振验算,要求机墩强迫振动频率与自振频率之差和自振频率的比值不小于20%；

（2）振幅的验算,应分析阻尼的影响,要求最大垂直振幅不超过0.15 mm,最大水平振幅不超过0.2 mm；

（3）动力系数的验算,可忽略阻尼的影响,要求动力系数的验算结果为1.3～1.5；

（4）结构自振频率与激振频率之差和自振频率之比,或激振频率与结构自振频率之差和激振频率之比,应大于20%～30%,以防共振。

2.2 计算方法、工况及荷载

（1）计算方法

《泵站设计标准》（GB 50265-2022）未提供相应的计算方法,主要是参照《水电站厂房设计规范》（SL 266-2014）、《水工设计手册》第9 卷进行计算。需要计算的内容包括强迫振动频率、自振频率、共振校核、振幅验算及动力系数复核等。

（2）计算工况

结构的自振频率由于要考虑随运行水头变化而变化的垂直水压力[3]。因此,机墩自振频率是在一定范围内变化的；由于机组从启动到正常运行,速度是变化的,因此机组运行的频率也是变化的。规范对计算工况没有明确规定,原则上应对各荷载工况下,在不同工作转速0.75 倍～1.25 倍对应频率范围进行扫频计算,一般要计算设计工况。

（3）计算荷载

作用在机墩上的荷载,应根据机组的型式、结构及传力方式分析确定。机墩承受的荷载包括静荷载、动荷载。

垂直静荷载:结构自重、电机定子重、机架及附属设备重等。需要注意的是在计算自振频率时,需要将轴向水压力计算进来,轴向水压力作为机墩的附加荷载,这是很多设计人员容易忽视的方面。

垂直动荷载：发电机转子连辅重、励磁机转子重、水轮机转轮连轴重及轴向水推力。

水平动荷载：由机组转动部分质量中心和机组中心偏心距e 引起的水平离心。

2.3 计算过程

该站电机机墩结构初拟为：纵梁牛腿式,每个电机机墩2 个纵梁,梁高1.5 m,梁宽1 m,净跨度6500 mm,净间距3500 mm。牛腿从中墩或边墩悬出,牛腿长1.5 m,宽1.2 m,端部高1.0 m,根部高2 m。

针对电机梁的振动分析,建立包括电机梁在内的泵室整体结构的有限元模型并进行分析,以确定电机梁在机组运行状况下的频响位移,为设计提供依据。站房整体有限元模型见图1。

图1 泵室整体及电机梁有限元模型及网格划分

图2 电机机墩自振频率计算成果

（1）电机机墩自振频率

计算成果：水平自振频率：59.22 Hz/s,折合为3553.2 次/min；垂直自振频率：69.24 Hz/s,折合为4154.4 次/min。

（2）强迫振动频率

电机梁自振计强迫振动频率：

水平强迫振动频率：为电机的额定转速200 r/mim。

垂直强迫振动频率：

式中：n 为电机额定转速,r/mim；n1为垂直强迫振动频率,次/min；X1为水泵导叶体的叶片数,X1=7；X2为水泵叶轮的叶片数,X2=3；a 为X1、X2最大公约数,a=1。

（3）共振校核

泵站机组在运转过程中,当机组的振动频率和其固有频率接近或相等时,机组会发生强烈的振动,即发生共振。为避免共振的发生,有必要对可能引起站房结构振动的振源及其频率进行分析,与站房结构的固有频率进行初步的共振校核[4]。泵站的激振源主要有机械、电气和水力3 个方面从以往的研究可以看出这3 个方面激振源的激振频率均与机组转频有很大关系,一般与机组转频相同或是其整数倍。计算公式如下：

垂直方向：若n1＜n01,且,可以认为不发生共振；式中,n1为强迫振动频率；n01为自振频率。

根据以上计算结果,初步拟定的结构电机梁自振频率与强迫振动频率接近,根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）第6.5.9 条的规定：“机墩强迫振动频率与自振频率之差和自振频率的比值不小于20%”进行共振校核。即时,便认为可能产生共振,因此原拟定的机墩结构共振校核不满足要求,需要调整结构尺寸[1]。经调整,电机梁高度由1.5 m 增加至1.6 m,梁的净跨度由6.5 m 减小至5.5 m,结构调整后,对电机梁自振频率与机组额定转频、叶频及导叶水力冲击引起的振动频率进行校核,自振频率均大于强迫振动频率,且分离度大于20%,不会发生共振,动力计算成果满足规范要求。

（4）动力系数核算

根据《泵站设计标准》（GB 50265-2022）以及相关规范进行电机梁的结构动力系数核算,动力系数按下式计算：

式中：η为动力系数；ni为强迫振动频率,Hz；noi为自由振动振频率,Hz。

电机梁自振频率与各强迫振动频率相应的动力系数校验见表2。

表2 电机梁动力系数校验表

由表2 可知,各阶下的电机梁结构自振频率与强迫振动频率相应的动力系数均＜1.5,满足规范要求。

3 结语

通过对该泵站的动力计算分析可知：对站房进行模态分析时,由于产生位移的区域分布在电机梁附近,同时电机梁是承载水泵重量以及电机重量的关键部位,因此在对站房稳定性进行分析时,电机梁的稳定性分析是非常必要的。通过ANSYS 等有限元软件,对泵站站房及电机梁进行结构自振特性分析,得到了结构的自振频率。通过对站房及电机梁的自振频率与强迫振动频率进行共振校核,当自振频率与强迫振动频率的分离度大于20%时不会引起共振。对电机梁的结构进行动力系数核算,电机梁结构自振频率与各强迫振动频率相应的动力系数＜1.5,电机梁荷载采用1.5 的动力系数可保证结构设计安全。

大型泵站应重视水泵、电机的机墩计算。机墩应具有足够的刚度,否则共振复核难以满足[5-6]。机墩的动力计算成果应采用有限元法、公式法等多种方法复核。机墩的自振频率计算,应包含轴向水压力荷载,水压力荷载作为机墩上的附加质量。