供水設(shè)備水泵葉片通過(guò)頻率振動(dòng)是流體機(jī)械的流道內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)所誘發(fā)的高頻振動(dòng)，其頻率是整圈葉片數(shù)與轉(zhuǎn)速頻率的乘積，即每根葉片通過(guò)流道突變或不連續(xù)處就產(chǎn)生一次壓力脈動(dòng)，如果流道有多個(gè)突變或不連續(xù)處，則可能產(chǎn)生葉片通過(guò)頻率的多倍頻振動(dòng)。針對(duì)葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)問(wèn)題，大量研究及模擬計(jì)算，得出壓力脈動(dòng)的普遍規(guī)律，據(jù)此提出流道改進(jìn)、葉片形狀或安裝角度調(diào)整等措施，來(lái)降低葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)幅值。這些研究雖然有力地推動(dòng)了流體機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但推廣到現(xiàn)場(chǎng)葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)故障處理，還存在工期長(zhǎng)、代價(jià)高、風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。
一、供水設(shè)備水泵葉片通過(guò)頻率振動(dòng)的機(jī)理分析
供水設(shè)備水泵葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)故障主要出現(xiàn)在泵或風(fēng)機(jī)上，但更常見(jiàn)于泵類(lèi)，這主要是由于傳送介質(zhì)的差別，風(fēng)機(jī)傳送的介質(zhì)為氣體，屬于可壓縮流體，因此作用在結(jié)構(gòu)上的壓力脈動(dòng)相對(duì)較小，不易激發(fā)葉片通過(guò)頻率振動(dòng)。
現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)故障，無(wú)外乎兩方面原因：一是動(dòng)剛度不足，即 設(shè)備或與其相連管道的動(dòng)剛度不足，在壓力脈動(dòng)作用下，出現(xiàn)振動(dòng)放大效應(yīng)，甚至共振，表現(xiàn)為葉片通過(guò)頻率振動(dòng)十分劇烈，這在現(xiàn)場(chǎng)是最為常見(jiàn)的；二是運(yùn)行環(huán)境惡化，使得流體壓力脈動(dòng)的幅度增大，激發(fā)了較大的葉片通過(guò)頻率振動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)由于運(yùn)行壞境惡化，引發(fā)葉片通過(guò)頻率振動(dòng)的常見(jiàn)故障包括：
1）由于流體機(jī)械與其進(jìn)出管線(xiàn)形成一個(gè)封閉的流動(dòng)空間，如果管線(xiàn)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致流體在管線(xiàn)中的壓力或速度產(chǎn)生突變，就可能激發(fā)葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)。
2）葉片未在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。由于葉輪、導(dǎo)葉等過(guò)流部件均是基于最優(yōu)工況而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即在最優(yōu)工況下，流體離開(kāi)葉輪時(shí)的切向速度分量較小，激發(fā)的壓力脈動(dòng)也較??；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行偏離最優(yōu)工況時(shí)，葉輪出口的流速分布就含有一定的切向速度分量，這些切向速度分量可能會(huì)產(chǎn)生旋渦或脫流現(xiàn)象，而設(shè)備在該狀況下運(yùn)行就會(huì)產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，并可能誘發(fā)葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)。
3）設(shè)備安裝偏差或運(yùn)行磨損將可能導(dǎo)致流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)劇烈，引發(fā)了葉片通過(guò)頻率振動(dòng)。
二、案例1——結(jié)構(gòu)共振所誘發(fā)的葉片通過(guò)頻率振動(dòng)
某600 MW機(jī)組配備了A、B、c三臺(tái)給水泵，軸系布置及相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)圖1?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)三臺(tái)主給水泵新機(jī)調(diào)試中的振動(dòng)進(jìn)行了分別測(cè)試，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)存在一定的共性問(wèn)題，具體如下：(1)主給水泵軸系振動(dòng)問(wèn)題主要表現(xiàn)在前置泵上，其最大振動(dòng)頻率達(dá)到12 mm／s左右，已超過(guò)制造廠(chǎng)給出的限值(7．6 mm／s)；(2)除了基頻(1X、25Hz)振動(dòng)外，前置泵振動(dòng)的主要頻率成分為5倍頻(5X、125 Hz)振動(dòng)、10倍頻(10X、250 Hz)振動(dòng)、以及15倍頻(15X、375 Hz)振動(dòng)等(圖2)。
考慮到前置泵轉(zhuǎn)子有5根葉片，分析該泵發(fā)生了葉片通過(guò)頻率的振動(dòng)故障。為進(jìn)一步確定激振源，決定對(duì)前置泵的結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行測(cè)試，具體如下：(1)現(xiàn)場(chǎng)采用錘擊試驗(yàn)，對(duì)前置泵靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明存在一個(gè)120Hz左右的結(jié)構(gòu)固有頻率(圖3中綠色曲線(xiàn))；(2)同時(shí)，為了解前置泵在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)固有頻率，特對(duì)該泵惰走過(guò)程中的10倍頻振動(dòng)成分(2倍葉片通過(guò)頻率)的BODE圖進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明前置泵存在一個(gè)124 Hz左右的結(jié)構(gòu)固有頻率(圖3中黑色曲線(xiàn))。
因此，該前置泵振動(dòng)故障的原因是其葉片通過(guò)頻率與泵體固有頻率相近，引發(fā)了結(jié)構(gòu)共振或近似共振。為此，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)前置泵前、后軸承分別進(jìn)行了加支撐處理(圖1)，一方面使泵體固有頻率提高至129 Hz左右；另一方面也有效降低了激振響應(yīng)的靈敏度(圖3中紅色曲線(xiàn))，最終把前置泵的振動(dòng)降至了合格水平。
三、案例2——偏離最優(yōu)工況所誘發(fā)的葉片通過(guò)頻率振動(dòng)
某電動(dòng)消防泵為臥式離心泵，額定轉(zhuǎn)速為2965 dmin，轉(zhuǎn)子葉輪有4根葉片，軸系結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。該泵振動(dòng)特征如下：
1）當(dāng)電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)良好(表1序號(hào)1)，帶泵運(yùn)行后，在額定流量下水泵的最大振動(dòng)超過(guò)8 mm／s(表1序號(hào)2)，超過(guò)了現(xiàn)行國(guó)標(biāo)(GB／T 6075．3—2011)規(guī)定的泵振動(dòng)值不應(yīng)超過(guò)4．5 mm／s，電機(jī)振動(dòng)值不應(yīng)超過(guò)2．8 mm／s。
2）振動(dòng)頻率為葉片通過(guò)頻率(4X)及其倍頻(8X)。
3）現(xiàn)場(chǎng)采取一系列振動(dòng)治理措施，比如：研磨設(shè)備底腳，增大接觸面；對(duì)基礎(chǔ)框架進(jìn)行灌漿處理；對(duì)泵體進(jìn)行解體檢查、重新調(diào)整葉輪口環(huán)與密封間隙；對(duì)水泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡等，但振動(dòng)仍然超標(biāo)。
經(jīng)咨詢(xún)制造廠(chǎng)家(美國(guó)Peerless Pump Compa—ny)，該泵是按照《固定消防泵安裝標(biāo)準(zhǔn)》(NFPA20)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型的，其最優(yōu)工況并不是額定工況(100％流量)，而應(yīng)在150％流量以上。為此，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了150％和180％流量下的振動(dòng)數(shù)據(jù)(表1序號(hào)3～4)，結(jié)果表明葉片通過(guò)頻率大幅下降。
四、案例3——運(yùn)行磨損所誘發(fā)的葉片通過(guò)頻率振動(dòng)
某亞臨界600 MW機(jī)組鍋爐的雙級(jí)、動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)了振動(dòng)爬升，由3mm／s左右爬升至10 mm／s以上，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。該風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 490 r／min，軸系如圖5所示。
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果如下：
1）由于風(fēng)機(jī)的支撐軸承包裹在風(fēng)道內(nèi)，為測(cè)試軸承座振動(dòng)，先關(guān)閉了動(dòng)葉片的開(kāi)度，并揭開(kāi)風(fēng)機(jī)的上蓋運(yùn)行，結(jié)果表明3、4號(hào)軸承座振動(dòng)基本穩(wěn)定在3.5 mm／s左右。
2）安裝風(fēng)機(jī)上蓋后帶負(fù)荷運(yùn)行，把振動(dòng)傳感器臨時(shí)固定在風(fēng)機(jī)外殼體中分面上，測(cè)量風(fēng)機(jī)外殼體的振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)升速至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)振動(dòng)約為4.0 mm／s左右，然后逐漸增大動(dòng)葉的開(kāi)度，風(fēng)機(jī)振動(dòng)也隨之迅速爬升。當(dāng)動(dòng)葉開(kāi)度超過(guò)60％時(shí)，振動(dòng)已在7.0—14.0 mm／s的范圍內(nèi)大幅波動(dòng)(圖6)，且主要表現(xiàn)為葉片通過(guò)頻率振動(dòng)(546 Hz左右，22倍頻)。
3）風(fēng)機(jī)振動(dòng)的波動(dòng)具有周期性，大約15 min左右完成一次波動(dòng)；另外，與一級(jí)葉輪相比，風(fēng)機(jī)的二級(jí)葉輪處的振動(dòng)更為劇烈，且葉片通過(guò)頻率更為明顯，比如：在動(dòng)葉開(kāi)度60％工況下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得二級(jí)葉輪處殼體中分面的振動(dòng)速度達(dá)到13.20 mm／s左右，其中葉片通過(guò)頻率振動(dòng)(22X)就達(dá)到9.88 mm／s。
考慮到振動(dòng)與動(dòng)葉開(kāi)度關(guān)聯(lián)明顯，分析該風(fēng)機(jī)激振源在流場(chǎng)上，而振動(dòng)速度是在長(zhǎng)期運(yùn)行中逐漸爬升起來(lái)的，這就可以排除風(fēng)道流阻的設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此決定對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行解體檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，一、二級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的銅襯套磨損嚴(yán)重，與中心軸之間的間隙變大超標(biāo)，造成一、二級(jí)葉片的開(kāi)度不一致而引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常。隨后對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行更換、處理，風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度降至2．6 mm／s左右，從而消除了該振動(dòng)故障。
五、結(jié)語(yǔ)
葉片通過(guò)頻率是泵或風(fēng)機(jī)由于流體的壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生的常見(jiàn)振動(dòng)頻率成分之一。誘發(fā)劇烈的葉片通過(guò)頻率振動(dòng)的常見(jiàn)原因有葉片通過(guò)頻率共振、管路或風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理、葉片未在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行、安裝偏差或運(yùn)行磨損等。現(xiàn)場(chǎng)可采用結(jié)構(gòu)調(diào)頻處理、運(yùn)行方式優(yōu)化、檢修安裝調(diào)整等措施，來(lái)消除該振動(dòng)故障。
