为了满足我国海洋工程探索和研究,某研究单位建造了一个能够模拟深水自然环境的深水试验池,矩形池体尺寸为54 m×40 m,深35 m,造流深度20m,试验水池垂直方向的进出水端分为高度不同的10层,组合成5个泵房,每个泵房设2 台卧式导叶式混流泵,共10台泵,每台泵口径1 900mm,流量12.6m³/s,功率1 400kW,如此规模的大型科研试验水池在我国尚属首例。试验池的模拟海流是由安装在与水池进出口相连的管道中央的水泵推动水体通过钢制管道、混凝土结构廊道、压力穿墙孔、整流挡板及导流栅进入水池,然后由水池出水口通过相同流道进入泵吸水喇叭管而形成的环流系统。因此,泵是该项工程的核心设备。

　　 对于大型散件交货的泵,其设计选用和安装阶段的控制尤为重要,因零部件加工过程由加工装备、检测手段和工厂的管理体系加以保证,而设计选用阶段受市场开发、成本的控制原因较多体现在人为因素上;同样安装阶段受现场条件、散件交付状况和安装的经验影响。因此,本文重点对试验池中的卧式导叶式混流泵的设计选用和安装控制进行介绍。

　　 根据水池结构、造流系统流道、管路组成和水池工艺设计要求的流量及扬程、运行工况,经对水池容量和管路损失的计算和泵特性曲线比较,最终选定某大学研制的M350HD-60水力模型泵。该模型泵具有运行稳定,高效区宽,参数先进,性能曲线平滑,使用比转速(Ns=600)范围广等特点。 真机按5.4倍比例放大制造完成。

　　 优选用于制造大型水泵叶片的材料ZG0Cr-13Ni4Mo,其抗气蚀和晶间腐蚀能力强;主轴采用45#结构钢整体锻造,并在填料函、水导轴承部位表面堆焊(冷焊技术)6 mm厚不锈钢以提高其耐磨性,表面硬度≥HRC42(洛氏硬度C级,试验硬度计表盘读数42,由公式推算试验压痕约0.12mm深,表示材料表面硬度较高已相当于工具钢),比镶焊不锈钢套更好更可靠。叶轮室采用铸钢ZG270-500优于常用的ZG230-450,内球面堆焊6mm厚不锈钢层,其耐磨和抗脱落都比镶焊不锈钢板好,比整体不锈钢件性价比高。

　　 加拿大赛龙公司生产的COMPAC橙色赛龙轴承是一种三次交叉结晶热凝性树脂聚合物,其自恢复性及弹性很好,耐冲击、易加工、耐腐蚀、耐磨损、对泥沙杂质不敏感、摩擦系数为0.01~0.05,对主轴的磨损非常小;因具有弹性,对泵运行中振动的适应性较好;赛龙轴承具有良好的自润滑性,在无水情况下可运行30~90s,轴承承压可达2.4MPa。由于轴承制成独特的润滑水槽具有较好的水动力条件,线速度1.4m/s以上即可形成水膜,机组启动时间10s,轴承此时承压为0.173 MPa,远小于2.4MPa的承压指标。为保证选用的280×5.2m,重3t大型主轴的稳定运行,经综合比较常用泵水导轴承材料性能后,选用赛龙轴承(见表1)。

　　 另外,水导轴承与导轴承壳体之间设计成球面微动支承结构,以增加其自动调心功能,使轴瓦受力均衡,并能吸收安装和运行过程中带来的微量误差。

　　 选用独立基础的组合轴承箱,可以承受轴向水推力(24t),同时承受因转动惯量引起的径向力(2.34t),并具有自动调心功能。优点:(1)因位于泵体外部,可不带水、不开泵壳进行维修;(2)漏油不会对系统水质产生污染;(3)它与水导轴承的球面微动支承结构组成自动调心功能,可以吸收安装误差和有害振动。

　　 水泵的进水锥管、叶轮室、导叶体、60°弯管制成上下剖分结构形式,只要拆去上半件即可对叶轮或水导轴承进行在线维修与更换,无需拆装整台泵。并且立面法兰和水平哈夫面法兰全部采用刚性连接,开密封槽崁入O型密封圈,对提高密封效果和泵的整体刚度减少运行振动有利。所有泵各部件均按设计要求的套装标准进行,预装后均能检测到合格的数据并在设计规定的位置配钻铰制孔打入定位销。

　　 通常较大型给排水泵站采用多台立式混流泵一字排开,其结构形式为:(1) 垂直方向有电机层基础座、泵层基础板、泵底部进水流道及转子;(2)水平方向有出水弯管、过墙管及出水流道。卧式泵多采用整体结构,安装仅在同一个层面上即可完成。本工程造流泵房含有卧式泵10台,分5层楼对称布置,整套泵共分7个独立基础,平面布置呈S型弯,基础形式复杂。每台泵形成独立管道造流系统,并要求第1层与第5层泵房共4台泵(两两并联),通过联通管和阀门形成既可各自独立的造流系统又可组成两个并联的出水系统,单泵基础布置如图1所示。

　　 泵进出口轴线水平方向相距2.5 m,变速轴系与泵轴系水平间距差442mm,难度在于两个60°弯管4个支腿的基础板要固定在S弯弧线上,位置较难精确定位(因楼层空间高度仅2.4m,而泵壳外径加底座总高度为2.34m,设计要求泵壳支腿基础与混凝土楼板对撬固定),由于各泵壳段直径尺寸大小不一而造成泵壳离地距离不等,组合轴承箱(座)、减速机及电机基础高度各不相同;另外各部件基础平面尺寸及紧固件开档尺寸也不相同,这些因素导致预留孔洞、预埋件位置偏差过大。解决方法:对于部件基础高低不一的问题,可通过精确测量后采用不同高度的调整垫铁解决;对于位置偏差过大的问题,则采用40mm厚钢板将原预埋钢板(20mm厚)接长接宽至符合泵壳支腿固定位置,为了确保强度,不仅在两块钢板搭接边上角焊,并在上层钢板预先开设70~90mm的圆孔中对底部钢板进行塞焊,还将搭接钢板的加宽加长部分采用化学螺栓将其与混凝土固定。

　　 对于如此多楼面布置的分体式泵、复杂且要求较高的泵管道轴线及高程控制要求,可考虑以下几方面:

　　 (1)调查复核已有的土建平面轴线及高程控制线,测量已建成的各层泵房建筑的实际尺寸。

　　 (2)以各层泵房进、出口廊道洞门中心为基准点,通过激光标线仪定出管道轴线及水平高程控制线,解决各层泵安装轴线和高程控制线;由地面层(+0.1)平面DN1 900预留洞中心激光打点确定地下5层泵房(-13.5)处三通管中心位置,解决底层泵房管道安装放样轴线。

　　 (3)利用已标出的各层泵房墙面上水平控制线,在泵组七段基础中心上方拉出高程控制轴线(母线),测量各泵段基础离地面的实际距离为50~90mm,与原设计70~120mm不符,土建基础平均抬高了30 mm,泵厂所配的原有调整垫铁不能用。解决办法:成对楔铁重新加工,厚度减薄,斜率不变。

　　 本泵组散件运抵现场,单泵共计40 余个零部件,外加5个哈夫面、7个法兰面、354颗紧固螺栓和28 颗地脚螺栓,最大吊装部件电机为8.3t,最长部件主轴5.2 m,重3t。除地面2 台泵可以利用行车安装外,其余8台均在地下泵房7.9m×6.6m×2.4m狭窄空间安装,虽有吊运孔,但无法利用行车进行安装,难度较大,因此制定了如下安装措施。

　　 (1)准备常规工具,例如水准仪、激光标线仪、框式水平仪、百分表、塞尺等。

　　 (2)根据现场实际情况设计制作平板小车、移动式龙门架、螺杆调整支腿及支架和临时钢平台等。

　　 (3)对水泵、电机、减速箱各部件加工安装面进行清洗后涂上防锈油,检测各部件相关尺寸及配合公差是否符合要求。

　　 (1)固定母线一端于进水廊道闷板中心点上,拉一根泵、管道定位水平基准轴线(母线),并在临时支架的另一端(与出水廊道闷板中心吻合)设十字方向对中调整装置。

　　 (2)将导叶体、60°弯管下半件拼装就位并使其穿过母线,调整泵壳中心与管道轴线重合,采用内径千分尺测量,允许偏差±0.5mm。泵壳法兰面组对前装入橡胶密封圈,应接缝严密平整,在水平哈夫面与立面法兰接缝处预装十字O型密封条,并涂上703胶提高密封性。

　　 (3)复核中心与高程,划凿三段泵壳地脚螺栓孔中心后移开泵壳(千斤顶顶起泵壳,将平板小车伸入泵壳基础,钢丝绳手拉葫芦牵引)钻楼板孔,待钻孔结束打扫干净后将三段泵壳移回原地,利用调整垫铁、通过内径千分尺和框式水平仪测量将泵体初步找正找平,三段泵壳同心度≤0.5mm/m,水平度≤0.05mm/m。装入导轴承下半件。

　　 (4)将组合轴承箱钢基础安放在预先设置的支撑螺纹调节杆上,将紧固螺栓穿过其螺栓孔与土建绑扎钢筋笼点焊固定并保证其垂直,利用调整垫铁将该基础初步找平找正(测量其高程≤±0.5mm)后立模,第一次浇铸组合轴承箱土建基础。养护期过后通过框式水平仪调整钢基础水平度≤0.05mm,再次复核泵体水平度和轴线无误之后紧固所有螺栓。

　　 (5)预先将组合轴承箱套入主轴(不加热过渡配合)并装上定位螺母;对低速联轴器进行加热后将其套入主轴,将主轴吊至泵体轴线就位后吊装叶轮,预紧及紧死高强度螺栓,双孔止动垫圈边翻起,紧固轴承箱与其底座的螺栓。

　　 (6)哈夫面嵌入橡胶密封条,吊装60°弯管上半件并端面靠齐,上下半件组合缝安装面高差≤0.1mm;吊装叶轮室,通过顶推主轴调整叶轮与叶轮室间隙,用塞尺检测上下左右间隙在1.65~2.05mm;测量调整叶轮室与导叶体同心度≤0.05mm。

　　 (7)吊装进水锥管、60°弯管上半件、出水伸缩节和弯管。各管件由法兰面止口确保同心度,但是锥管底座固定不能使叶轮室受力变形,因此通过调整垫铁在紧固地脚螺栓时,采用千分表观察和控制法兰止口下沉量,出水弯管与60°弯管之间有伸缩节加以调节。

　　 (8)松开轴承箱与底座螺栓,松开导轴承下半件与支承座间的螺栓,分别插入0.2 mm厚铜垫片后重新紧死螺栓,使旋转部件整体微量抬高后保证叶轮间隙下部大于上部。再次复测各部件轴线高程、同心度、水平度和导轴承及叶轮间隙符合要求后,配钻铰制孔,打入导轴承下半件与导叶体支座间定位销,安装导轴承上半件测量间隙≤0.3 mm,配钻铰制孔打入导轴承上、下半件定位销,盘车检查是否顺畅并测量轴的跳动量≤0.05mm,安装导叶帽及叶轮导水锥。

　　 (9)对组合轴承箱钢基础与轴承箱本体、泵壳哈夫面上下两半之间及基础与垫铁之间用0.05mm塞尺检测不得通过,对所有基础与垫铁及垫铁层进行点焊固定,经工序验收合格后对基础进行第二次灌入微收缩混凝土,保养期强度70%时对水泵最终精平合格后紧死所有地脚螺栓。吊装导叶体上半件。

　　 (10)安装填料函、填料环及压盖,调整填料环与轴的单侧径向间隙在0.25~0.5 mm,调整压盖松紧适度,安装接水盘。将联轴器加热后套入齿轮箱输出轴,采取适当措施防止因加热的联轴器套入齿轮箱时高温损坏其两端的密封环。吊装齿轮箱,通过调整垫铁将低速端联轴器与泵轴联轴器高低平齐,轴线对准,端面间隙8~10 mm后紧固地脚螺栓,用两个千分表同时对联轴径向跳动检测≤0.24mm,端面摆动≤0.15mm;吊装主电机(8.3t)采用吊环使负载自动对中,依靠平板小车、葫芦、调整螺杆工装及千斤顶平移就位,通过调整垫铁使电机出轴联轴器与减速箱联轴器高低平齐,轴线对准,端面间隙8~10mm后紧固地脚螺栓,千分表检测联轴器径向≤0.12 mm,端面≤0.08 mm。所有联轴器调整固定后装入尼龙柱销,两端保险盖板扳紧。

　　 由于土建因素导致存在如下问题:(1)原基础未设预留孔,安装时钻孔将孔内钢筋破断;(2)个别基础实际中心线与安装中心线不符,造成地脚螺栓孔距基础边沿仅50mm。在此情况下能否安装地脚螺栓,必须校核独立的轴承座可承受的轴向力和径向力。

　　 卧式水泵运行时承受有轴向力(叶轮工作所承受的水推力)和径向力(轴和叶轮自重运转时的离心力),组合轴承箱内的推力轴承承受着绝大部分的轴向水推力。

　　 最大水推力计算方法见式(1):

　　 式中A———最大水推力,N;

　　 ρ———液体密度,kg/m³;

　　 g———重力加速度,m/s²;

　　 H_max———水泵最高扬程,m;

　　 D———叶轮直径,m。

　　 本工程中,ρ=1 000kg/m³,g=9.81 m/s²,H_max=11 m,D=1.68 m,则由式(1)可得:A=239.1kN。

　　 泵轴与齿轮减速箱输出轴之间采用弹性联接,因此泵轴简化为带外伸段的简支梁,径向轴承和导轴承为2个支座,其中径向轴承简化为固定支承座,导轴承简化为铰链支承座;联轴器和叶轮部件作为集中力,泵轴自重为均布载荷简化为作用于泵轴两支承中点的力,按此力学模型进行计算(见图2)。

　　 经计算可得,叶轮重量及径向力Q₁=19.8kN,水泵联轴器重量的径向力Q₂=2.690kN,主轴重量的径向力Q₃=29.20kN,赛龙轴承承受的径向力R_B=37.1kN,径向轴承承受的径向力R_A=14.5kN。

　　 (1)土建基础在水泵可能出现的最高扬程时,承受239kN水平轴向力,方向朝进水侧。

　　 (2)土建基础承受的径向力R_A为14.5kN,土建基础需考虑组合轴承箱和底座的重量910kg所引起的压力8.9kN,故组合轴承座土建基础承受轴向力为239kN和径向压力为23.4kN(14.5kN+8.9kN=23.4kN),由4颗地脚螺栓共同承担,依据《机械设计手册》及 《地脚螺栓》(GB/T 799-88)选定的M36X630螺栓能承受147kN(单颗)的力,按正常施工没有问题。但土建施工误差会带来如下问题:(1)钻孔的孔壁光滑造成摩阻力下降,不利长期运行;(2)钢筋破断和孔壁至基础边沿距离不达标会带来长期运行受冲击而基础不稳固。解决措施:经综合分析后,废除原有基础重新浇铸混凝土基础,并且在钢筋笼绑扎过程中将地脚螺栓点焊固定,立模后一次浇铸形成预埋螺栓,待对水泵本体全部精调完成后对调整垫铁及箱体钢基础进行二次维护浇铸。

　　 经上述措施,克服了安装空间狭小,土建预埋预留偏差较大、泵与泵房工艺设计的矛盾等边界条件的不足。投入使用后,试验水池造流系统与造波系统以及造风系统经联动调试,现场实测达到预期效果,模拟海流海况目标得以实现、运行稳定,满足了试验任务要求。

　　 大型卧式泵机组S布置、中分面结构较复杂,在没有真机大水体试验平台条件下设计选用、安装工艺有讲究;为保证水泵可靠运行,确保各部件现场安装的精度要求,必须尽可能考虑采取合理的工艺措施。这样的泵结构对土建基础预埋件、预留洞的施工要求较高,在无法利用行车且高度受制、狭小的空间情况下需要考虑更多的工装加以辅助,这样可以提高安装质量,省时省力。如果条件许可,建议工程设计方在土建结构设计时尽可能考虑水泵安装维修的空间,同样建设方在招标时可以考虑类似于该泵的土建基础应列入安装标的范围或者明确提示质量由安装方负责。