潮汐泵站机组安装水平对垂直同轴度的影响

张 瑾 杨 波 尚晓君

（江苏省太湖地区水利工程管理处常熟枢纽管理所，江苏 苏州 215519）

1 工程概况

常熟枢纽位于江苏省常熟市海虞镇望虞河口，距离长江2 km，由9台主机泵、6 孔节制闸、110 kV 专用变电所组成。9台主机为一字排列，6孔节制闸分布于主机厂房两侧，原主机流道形式为X 流道，配置双向进出水闸门，由卷扬式启闭机控制。经过2008～2011年加固改造后，出水流道改为有压出水，在原出水流道内通过植筋浇筑新增一块出水流道上顶板，厚度为60 cm。整个建筑物共分为5块底板，东、西两侧节制闸各一块底板，主厂房每三台主机一块底板。

2 水文及地质条件

2.1 水文条件（水位为吴淞零点，下同）

工程所在地常年水位变化的特点是：长江侧（下游）水位每日两次涨落潮，主汛期5～10月长江潮位变化较大，峰谷水位差大；非汛期11月至次年4月，长江潮位变化较小，峰谷水位差小。

引水设计年型引水期间下游最低潮位1.14 m，平均低潮位1.89 m。内河正常控制水位3.0 m，内河最低通航水位2.5 m，内河控制灌溉高水位为3.2 m。

2.2 地质

常熟水利枢纽工程位于长江三角洲平原区，地势平坦，只是因20 世纪50年代拓浚望虞河而堆积弃土，使地面略有起伏，地面高程一般在4.8～7.5 m 之间。经钻探揭示，勘区钻探深度范围内土层以其结构和物理力学性指标自上而下可划分为4 个大层11 个亚层，与区域地层资料及望虞河历史勘察资料分析对比，其中，上层为现代人工堆积层，中下为第四纪全新世冲洪积或冲湖积层，底层为第四纪晚更新世冲洪积层。

3 测量设备

表1 测量样表

固定部件水平测量采用合像水平仪（精度0.01 mm/m），垂直同轴度测量采用求心器悬挂重锤的方法，使用内径千分尺测量各部位半径（精度0.01 mm）。

4 测量方法及误差分析

4.1 立式轴流泵机组安装及测量流程

固定部分基础环预埋→固定部分安装测水平→固定部分测垂直同轴度→转动部分安装→转动部分测水平→转动部分测摆度→转动部分定中心→调整轴瓦间隙→测量各部位间隙→辅助部分安装

4.2 固定部分垂直同轴度环节测量方法

垂直同轴度的测量目的是使电动机定子的理论中心与导叶体水导轴承轴窝中心相重合，从而认为电机、水泵固定部件的中心是理想铅垂于导叶体安装基准面的。利用表1 对二者进行测量，并依据测量半径差对其进行平移调整，直至误差值满足安装标准。

表1 中：c=（a-b），f=（d-e），C=（A-B），F=（D-E），C′=（A′-B′），F′=（D′-E′）。（C′-c）为电机定子下测点与水导测点东西方向的中心偏差值，（F′-f）为电机定子下测点与水导测点南北方向的中心偏差值。根据这两个差值对电机定子进行平移调整，调整值为差值的一半，调整方向向绝对值小的一侧平移。

4.3 垂直同轴度数据标准

依据中华人民共和国水利行业标准《泵站设备安装及验收规范》（SL 317-2004）技术要求：定子按水泵轴承承插口止口中心找正时，应至少测量+X、-X、+Y、-Y 四个方位的半径值，各半径与平均半径之差不应超过设计空气间隙值的±5%。常熟枢纽电动机空气间隙设计值为4.12 mm，故测量（C′-c）、（F′-f）数据应在0.02 mm 以内为合格。

另外，X=（C′-C）、Y=（D′-D）分别代表电机定子东西、南北方向的倾斜值规范要求，同样其绝对值不应大于0.02 mm。

4.4 测量过程及误差分析

常熟枢纽加固改造的主机安装工序进入到固定部件水平、垂直同轴度测量的环节时，在反复测量过程中发现，上下游水位的变化会影响泵站建筑物的水平变化，而机组固定部件的水平会随着站身水平变化而发生变化。随之测量固定部件垂直同轴度的时候，测量的数据会产生较大的变动。现列举两组经典数据（数值为内径千分尺尺头读数，单位mm，尺头松紧造成的误差忽略不计）作为说明，见表1、表2。

调整电机定子平移向西0.33 mm，向北0.17 mm。此时钢琴线理论上位于各测量部位圆心位置。

在20∶30 测量调整后再次测量，发现钢琴线偏离原水导止口中心，随之电机定子中心也发生偏移。在多次测量中发现，这种位移的产生与泵站站身上下游水位的变化有较为密切的关系。为了分析这一变化产生的原因，以1 h 为刻度单位，采样记录了一个完全潮次的水位变化数据，见图1。

在该段时间范围内用一只合像水平仪，在底板任意一个平面上，对南北方向（水位差变化明显的方向）进行了一次时间、水位与水平变化的采样记录。由于内河侧水位相对稳定，当长江水位最低（水位差最大）时，调整水平仪在水平位置，观测长江侧涨潮过程中不同水位变化时水平变化的绝对值，见图2。另外，从理论上推得，当上下游水位持平或者接近时，建筑物两侧水体对底板压力以及对建筑物侧向水压力达到平衡。在泵站两侧节制闸开启自引江水的时段，视作上下游水位相等。

由图2 分析可知，当上下游水位差变化时，建筑物底板水平会随之变化，而在曲线的某一段内，即水位差近似为零的一段曲线中，水平值的变化相对较小。

由于本次加固改造工程主机泵安装时保留了原导叶体基础环，故水泵、电机固定部件的同轴度以导叶体基础环的中心为基准。在具体测量调整过程中，用钢琴线测量法测量定子同轴度，并通过测量结果计算出定子中心是否与基准中心重合，定子是否发生倾斜。在水位不断变化的过程中，总结水平变化对通信的影响有以下几种情况，现通过参考图3 进行叙述（图例中角度做了放大处理）。

表2 20∶30 测量值

表3 22∶00 测量值

图1 站身两侧水位与时间关系图

图2 水平值与时间关系图

首先，在潮水水位变化幅度大的时间段内，水平对同轴度的测量影响较大。假设在长江低潮位时，在水导轴窝处定好中心，然后测量定子四个方位的内径差，并依据数据作出调整。但长江低潮时建筑物有一定的不水平，如图3（a），故根据此时的水导中心调整钢琴线，由于钢琴线是铅垂的，再根据钢琴线调整定子，使之同轴度和倾斜值达到合格范围，如图3（b）。此时如果数据合格进入验收程序，需要重新在水导轴窝对中测量一遍。通常从下至上完成一次测量大约需要1 h，而长江侧涨落潮的过程中，有些时段内1 h 的水位变化量是非常明显的（例如站身两侧水位图中12∶00～13∶00 时间段），在复核测量数据的时候，建筑物受水位影响，水平度已经发生了变化，如图3（c）。此时，水导轴窝和定子同时发生了水平的变化，之前调整过的钢琴线已经穿过定子的中心，当定子水平发生微小变化后，实际铅垂的钢琴线就会轻微偏离理想的轴线，如图3（d），但偏离的角度一定，基本等于定子水平变化的角度。由相似三角形的比例得知，此时钢琴线在水导处与理想轴线的偏差距离，在上下测点距离、定子直径确定的情况下与水平变化值成正比关系。在水导中心发生偏离后，再一次人为对中，将钢琴线调整至水导轴窝的中心，则电机测点处的中心也随之偏离钢琴线的调整值，使上下测点的同轴度再次变化，甚至超出合格范围。由此可见，在水平变化相对较大较快的时段，测量机组同轴度会受影响产生较大的误差。

图3

此外，另选取长江潮水变化幅度较小的时段对同轴度进行测量分析。潮水变化幅度小甚至是平水位的状态，意味着建筑物两侧水压力相对平衡，对水平变化的影响很小。测量原理同上，在这一时段内（水平变化图表13∶00～18∶00 区域），建筑物水平变化相对稳定，在垂直同轴度测量、调整以及复测验收的过程中，水导轴窝、定子的水平基本无变化。所以，在机组的同轴度和倾斜值的测量调整工作中，应尽可能选择该时段水位组合进行测量，以减少水平变化所带来的影响。

5 结语

经过常熟枢纽加固改造中的经验积累，我们认为，在潮汐泵站机组安装过程中，对于固定部分的垂直同轴度测量环节，应选择站身两侧水位变化相对稳定的区域时段进行测量调整，测量数据相对稳定可靠，可节约施工调整的时间、提高效率，克服水位变化过快对测量造成的误差，对沿江潮汐泵站安装有一定的参考作用。