供水设备水泵叶片震动频率的分析
2018-5-4 10:03:17

供水设备水泵叶片通过频率振动是流体机械的流道内产生压力脉动所诱发的高频振动,其频率是整圈叶片数与转速频率的乘积,即每根叶片通过流道突变或不连续处就产生一次压力脉动,如果流道有多个突变或不连续处,则可能产生叶片通过频率的多倍频振动。针对叶片通过频率的振动问题,大量研究及模拟计算,得出压力脉动的普遍规律,据此提出流道改进、叶片形状或安装角度调整等措施,来降低叶片通过频率的振动幅值。这些研究虽然有力地推动了流体机械的优化设计,但推广到现场叶片通过频率的振动故障处理,还存在工期长、代价高、风险大等问题。


一、供水设备水泵叶片通过频率振动的机理分析

供水设备水泵叶片通过频率的振动故障主要出现在泵或风机上,但更常见于泵类,这主要是由于传送介质的差别,风机传送的介质为气体,属于可压缩流体,因此作用在结构上的压力脉动相对较小,不易激发叶片通过频率振动。

现场出现叶片通过频率的振动故障,无外乎两方面原因:一是动刚度不足,即 设备或与其相连管道的动刚度不足,在压力脉动作用下,出现振动放大效应,甚至共振,表现为叶片通过频率振动十分剧烈,这在现场是最为常见的;二是运行环境恶化,使得流体压力脉动的幅度增大,激发了较大的叶片通过频率振动。现场由于运行坏境恶化,引发叶片通过频率振动的常见故障包括:

1)由于流体机械与其进出管线形成一个封闭的流动空间,如果管线设计不合理,导致流体在管线中的压力或速度产生突变,就可能激发叶片通过频率的振动。

2)叶片未在设计工况下运行。由于叶轮、导叶等过流部件均是基于最优工况而进行设计的,即在最优工况下,流体离开叶轮时的切向速度分量较小,激发的压力脉动也较小;当设备运行偏离最优工况时,叶轮出口的流速分布就含有一定的切向速度分量,这些切向速度分量可能会产生旋涡或脱流现象,而设备在该状况下运行就会产生较大的压力脉动,并可能诱发叶片通过频率的振动。

3)设备安装偏差或运行磨损将可能导致流道内的压力脉动剧烈,引发了叶片通过频率振动。


二、案例1——结构共振所诱发的叶片通过频率振动

某600 MW机组配备了A、B、c三台给水泵,轴系布置及相关参数详见图1。现场对三台主给水泵新机调试中的振动进行了分别测试,发现振动存在一定的共性问题,具体如下:(1)主给水泵轴系振动问题主要表现在前置泵上,其最大振动频率达到12 mm/s左右,已超过制造厂给出的限值(7.6 mm/s);(2)除了基频(1X、25Hz)振动外,前置泵振动的主要频率成分为5倍频(5X、125 Hz)振动、10倍频(10X、250 Hz)振动、以及15倍频(15X、375 Hz)振动等(图2)。


 流体机械

考虑到前置泵转子有5根叶片,分析该泵发生了叶片通过频率的振动故障。为进一步确定激振源,决定对前置泵的结构固有频率进行测试,具体如下:(1)现场采用锤击试验,对前置泵静止状态的结构固有频率进行了测试,结果表明存在一个120Hz左右的结构固有频率(图3中绿色曲线);(2)同时,为了解前置泵在运转状态下的结构固有频率,特对该泵惰走过程中的10倍频振动成分(2倍叶片通过频率)的BODE图进行了测试,结果表明前置泵存在一个124 Hz左右的结构固有频率(图3中黑色曲线)。

因此,该前置泵振动故障的原因是其叶片通过频率与泵体固有频率相近,引发了结构共振或近似共振。为此,现场对前置泵前、后轴承分别进行了加支撑处理(图1),一方面使泵体固有频率提高至129 Hz左右;另一方面也有效降低了激振响应的灵敏度(图3中红色曲线),最终把前置泵的振动降至了合格水平。 


三、案例2——偏离最优工况所诱发的叶片通过频率振动

某电动消防泵为卧式离心泵,额定转速为2965 dmin,转子叶轮有4根叶片,轴系结构及测点布置如图4所示。该泵振动特征如下:

1)当电机空转时,振动良好(表1序号1),带泵运行后,在额定流量下水泵的最大振动超过8 mm/s(表1序号2),超过了现行国标(GB/T 6075.3—2011)规定的泵振动值不应超过4.5 mm/s,电机振动值不应超过2.8 mm/s。

2)振动频率为叶片通过频率(4X)及其倍频(8X)。

3)现场采取一系列振动治理措施,比如:研磨设备底脚,增大接触面;对基础框架进行灌浆处理;对泵体进行解体检查、重新调整叶轮口环与密封间隙;对水泵转子进行高速动平衡等,但振动仍然超标。


经咨询制造厂家(美国Peerless Pump Compa—ny),该泵是按照《固定消防泵安装标准》(NFPA20)进行设计选型的,其最优工况并不是额定工况(100%流量),而应在150%流量以上。为此,现场测试了150%和180%流量下的振动数据(表1序号3~4),结果表明叶片通过频率大幅下降。


四、案例3——运行磨损所诱发的叶片通过频率振动

某亚临界600 MW机组锅炉的双级、动叶可调轴流式一次风机在运行中出现了振动爬升,由3mm/s左右爬升至10 mm/s以上,严重影响了风机的安全运行。该风机工作转速为1 490 r/min,轴系如图5所示。


现场对一次风机进行了详细的振动测试,结果如下:

1)由于风机的支撑轴承包裹在风道内,为测试轴承座振动,先关闭了动叶片的开度,并揭开风机的上盖运行,结果表明3、4号轴承座振动基本稳定在3.5 mm/s左右。

2)安装风机上盖后带负荷运行,把振动传感器临时固定在风机外壳体中分面上,测量风机外壳体的振动。当风机升速至额定转速时,风机振动约为4.0 mm/s左右,然后逐渐增大动叶的开度,风机振动也随之迅速爬升。当动叶开度超过60%时,振动已在7.0—14.0 mm/s的范围内大幅波动(图6),且主要表现为叶片通过频率振动(546 Hz左右,22倍频)。

3)风机振动的波动具有周期性,大约15 min左右完成一次波动;另外,与一级叶轮相比,风机的二级叶轮处的振动更为剧烈,且叶片通过频率更为明显,比如:在动叶开度60%工况下,现场测得二级叶轮处壳体中分面的振动速度达到13.20 mm/s左右,其中叶片通过频率振动(22X)就达到9.88 mm/s。 


考虑到振动与动叶开度关联明显,分析该风机激振源在流场上,而振动速度是在长期运行中逐渐爬升起来的,这就可以排除风道流阻的设计问题。因此决定对风机进行解体检查,结果发现:在液压执行机构中,一、二级执行机构的铜衬套磨损严重,与中心轴之间的间隙变大超标,造成一、二级叶片的开度不一致而引起风机振动异常。随后对相关部件进行更换、处理,风机振动速度降至2.6 mm/s左右,从而消除了该振动故障。

五、结语

叶片通过频率是泵或风机由于流体的压力脉动,产生的常见振动频率成分之一。诱发剧烈的叶片通过频率振动的常见原因有叶片通过频率共振、管路或风道设计不合理、叶片未在设计工况下运行、安装偏差或运行磨损等。现场可采用结构调频处理、运行方式优化、检修安装调整等措施,来消除该振动故障。


 


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