水体作用下立式轴流泵站振动特性分析

摘要：在立式轴流泵站运行的过程当中，机械激励、水动力激励以及电磁激励同时存在，进而形成多源耦合的振动环境，水体借助流固交界面跟结构产生双向动力作用，从而改变结构的等效刚度、阻尼以及固有频率，使得振动特性呈现出非线性以及工况依赖性，本文针对流固耦合模态、水力激励特征以及共振风险展开分析，揭示出在水体作用之下频率漂移和激励谐波叠加的共振机制，并且提出频率分离准则以及抑振策略，以此为泵站的安全运行提供理论依据。

关键词：水体作用；立式轴流；泵站；振动特性

立式轴流泵依靠大流量和低扬程的优势在平原水利枢纽工程里广泛应用，泵站是一个整体，水体、流道、泵房、机组都是连在一起的，哪个环节出了问题都可能引发连锁反应。泵站运行期间泵体叶片和水体动态交互会持续激发结构振动，要是振动幅度超过设计阈值就会加速轴承和叶片等关键部件的磨损，进而缩短设备的使用寿命，而且还可能引发管道共振造成管道破裂和泵站停机等严重事故，所以精准分析水体作用下的泵站振动特性并破解振动控制难题，对于保障水利工程安全和降低运维成本有着重要意义。

1立式轴流泵站振动特性与水体耦合作用概述

1.1立式轴流泵站结构与振动源

立式轴流泵站属于大流量且低扬程的常见结构形式，其核心部件包含叶轮、导叶体、泵轴、轴承支撑系统、电机以及进出水流道，这些部件呈竖向串联的方式进行布置。叶轮在浸没于水中的状态下高速旋转，水流经过进水流道进入叶轮从而获得能量，再经过导叶体整流之后沿着出水流道排出。振动源主要分为三类情况，分别是机械激励、水动力激励、电机电磁力谐波。

第一类是机械激励。就是转子不平衡，类似洗衣机在脱水时衣服没放匀，那，机器转起来就咣当咣当响；还有轴承有缺陷、联轴器没对正等等。这些引起的频率通常是转频或者它的倍频，一般在低频段。

第二类是水力激励。由水流本身引起的，主要是叶片通过频率和一些宽频的压力脉动。

第三类是电机电磁力谐波。电机运转的时候，磁场不是完全均匀的，会产生一些高频的电磁力波动，频率一般比较高。

这些振源会同时存在，并且通过结构和水体路径进行传递，进而构成多源耦合的振动环境。

1.2水体耦合作用概述

水体耦合作用在立式轴流泵站振动分析里是重要因素，其本质为泵站结构周围及内部的水体作为有自身动力特性的连续介质，和固体结构发生双向动力相互作用，结构振动通过流固交界面扰动水体压力场和速度场产生动水压力波，动水压力反作用于结构表面改变其等效刚度与阻尼特性影响固有频率和振动响应幅值，水体耦合作用让泵站结构低阶干模态频率显著下移且随水体深度变化呈非线性漂移特征，水体辐射阻尼效应能够耗散抑制结构高频振动成分[1]。

2水体作用下立式轴流泵站振动特性

2.1流固耦合模态特性

立式轴流泵站在运行状态的时候，水体和结构之间会形成显著的流固耦合动力系统，水体作为附加质量参与到结构振动中，其分布形式受流场压力与结构变形相互影响，从而让泵站整体模态特性发生本质改变。干模态和湿模态的差异主要体现在固有频率降低与振型重新分布上，特别是浸没部件像水下叶轮、导叶和进出水流道内壁，水体约束效应致使低阶弯曲和扭转模态显著软化，水体可压缩性在低频段影响较小，在高频段可能诱发声固耦合效应，使模态出现流体弹性波动特征，泵站整体结构并非刚体，基础和上部厂房存在柔性连接，水体通过流道传递动水压力，进一步耦合进结构动力方程，使模态呈现多阶、多方向、多组分叠加的复杂态势[2]。

2.2水力激励特性

立式轴流泵站在运行过程中的水力激励主要源自叶轮旋转所引发的非定常流动、叶片和导叶之间存在的动静干涉以及流道内出现的局部脱流与二次流等情况，这些流动现象会产生周期性或者宽频的压力脉动，它们以压力波的形式作用于流道壁面，进而转化成为结构表面的分布激振力，激励频率主要由转频、叶片通过频率及其倍频共同构成，当偏离设计工况的时候，流动分离和涡带脱落会诱发低频高幅脉动，从而形成额外的随机激励成分，水力激励的空间分布并不均匀，叶轮出口与导叶入口的交界区域压力梯度最大，是激振力的主要作用区域，其幅值会随着流量和扬程呈非线性变化，水体的惯性和弹性使得压力脉动在传播的时候与管道声模态相互耦合，改变了激励相位分布和幅值传递特性。

水力激励主要通过现象去判断，比如产生汽蚀，产生汽蚀的时候振动频谱上会有宽频抬高的特征，没有明显的尖峰，就是整个底噪都上去了。处理办法是调整运行水位，或者检查进水口有没有堵塞，再不行就得考虑降低转速。

2.3共振风险与频率分离

在充分掌握模态特性和水力激励特征之后，共振风险分析的关键之处在于判断结构固有频率与激励频率是否出现重合或者接近的情况，水体附加质量会让湿模态频率低于干模态，水力激励包含多阶谐波分量，实际运行时低阶模态可能与叶片通过频率或其倍频接近，从而诱发结构共振，放大振动响应并且加速连接部件的疲劳损伤，合理频率分离策略要求在设计和运行阶段确保主要激励频率与前三阶主导湿模态频率之间留有安全裕度，遵循频率比避开0.8～1.2区间的工程准则，由于激励含有宽频分量，完全避免频率重合很难实现，需要结合阻尼耗散机制和结构局部刚度调整来降低共振峰值响应[3]。

3 运行维护阶段动态监控

设备投运之后可以在关键位置（像轴承座、机座、流道壁面）安装加速度传感器，可以实时采集振动信号，配套频谱分析功能。重点关注叶片通过频率和倍频的幅值变化，当前还有利用数字孪生技术搭建异常振动监测系统，通过数据驱动和知识库相结合的方式，提高故障处理效率。把振动监测数据跟运行参数关联起来，日常运行时尽量安排在低振动区，避免长期在偏工况下运行[4]。如果发现振动超标，第一步操作就是调工况。对于变频调速的泵站，还可以利用调速功能主动避开共振转速区，在穿越共振转速时快速通过，不做停留。可以根据振动监测数据来制定检修计划，比如轴承磨损会出现边频带，叶轮汽蚀或磨损会导致叶片通过频率附近的宽带噪声增加，这些都能从频谱上看出来。每半年或一年做一次全工况振动复测，跟初始档案对比，结合趋势判断关键部件的劣化程度。有研究发现，导轴承故障主要由水封失效或润滑污染引发，采用耐磨材料与实时监控技术可降低50%以上的故障率[5]。提前安排预防性维护，能避免突发故障导致非计划停机。

4结论

水体作用在立式轴流泵站振动里是核心驱动因素，水力激振、结构缺陷与耦合作用共同决定振动特性，不同工况下泵站振动的频率和幅值差异显著，小流量工况容易引发泵站出现共振现象，大流量工况泵站高频振动情况较为突出，通过优化水力设计，如合理匹配叶片数和导叶数、控制叶顶间隙、强化结构刚度和阻尼、科学调控运行工况，比如优先在高效区运行，避免长期偏工况运行，可有效抑制振动。三股力量拧到一块儿，处理起来确实不简单。但只要掌握了规律，看懂了频率的变化，抓住了水体和结构相互作用的本质，大部分问题都能找到破解的办法。所以，搞清楚水体到底怎么影响泵站的振动特性、找到有效的控制办法，这对保证工程安全、节省运维费用，是很有意义。

参考文献：

[1]张凤珅.水体作用下立式轴流泵站振动特性研究[J].内蒙古水利,2024,(11):3-5.

[2]侯程程,荐威,鲁健,于贤磊,张苗,李昌龙.基于流固耦合的立式轴流泵站振动特性数值模拟研究[J].江苏水利,2024,(04):11-15.

[3]李松柏,孙涛,成立,张博文.大型立式轴流泵站典型故障调查分析[J].江苏水利,2022,(03):36-40.

[4]杨佳钦,程龙,刘德祥,等.永湖泵站机组及厂房异常振动分析和研究[J].中国农村水利水电,2022(4):170-175.

[5]朱峰 潘强 张德胜 陈浩 周伟.基于流固耦合的大型立式轴流泵机组运行稳定性分析[J]. 2025.