汽輪給水泵機(jī)組振動(dòng)噪聲研究

孫 奇 于忠斌 趙世全

(1.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 618000;2.海裝重慶局，重慶 400042)

汽輪給水泵機(jī)組是艦艇動(dòng)力循環(huán)中的重要設(shè)備，也是機(jī)艙主要的振動(dòng)噪聲源之一。隨著人們對(duì)降低振動(dòng)噪聲的要求越來(lái)越高，對(duì)汽輪給水泵機(jī)組開(kāi)展減振降噪設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。本文所述汽輪給水泵機(jī)組由汽輪機(jī)、給水泵和公共底座等組成，其中汽輪機(jī)與水泵通過(guò)主軸連接，而公共機(jī)座是充滿油的箱體。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)和已有研究結(jié)論，此類機(jī)組的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題較為復(fù)雜，不僅汽輪機(jī)與給水泵內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部件及其支撐部件、殼體結(jié)構(gòu)等會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，與機(jī)組連接的進(jìn)排汽管路、疏水管路、進(jìn)出水管路、油管路等內(nèi)部流體流動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)均可能成為機(jī)組振動(dòng)與噪聲的來(lái)源。因此，此類動(dòng)力設(shè)備的減振降噪設(shè)計(jì)非常困難，要達(dá)到理想的減振降噪效果必須從設(shè)計(jì)源頭對(duì)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制，在傳播途徑中采取各種阻尼隔振，并對(duì)加工和裝配工藝過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1 激振源分析

汽輪給水泵機(jī)組是高轉(zhuǎn)速、高流量、高揚(yáng)程泵類設(shè)備，激振源主要來(lái)自機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)不平衡、水泵內(nèi)流體的壓力脈動(dòng)、流體不穩(wěn)定流動(dòng)、齒輪嚙合、周期性的沖擊等引起的激振力［1］。

(1)給水泵泵內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，離心泵工作時(shí)，水流由葉輪葉片的外端經(jīng)過(guò)泵殼舌部附近會(huì)產(chǎn)生水力沖擊，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，流體反作用于泵葉會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的葉頻振動(dòng);

(2)水泵的流體在級(jí)間流動(dòng)，由于流道不均勻、表面不光滑、轉(zhuǎn)向、擴(kuò)壓等都會(huì)引起水泵振動(dòng);

(3)雖然轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)高速動(dòng)平衡，但不可能完全消除不平衡量，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生激振力，從而會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)，該振動(dòng)體現(xiàn)為軸頻及其倍頻;

(4)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)減速器帶動(dòng)齒輪油泵，雖然減速齒輪采用高精度齒輪，但由于齒輪嚙合仍會(huì)產(chǎn)生嚙合頻率下的振動(dòng)噪音;

(5)減速器滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于間隙的存在，保持架和滾珠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪音;

(6)汽輪機(jī)葉片受到周期性的氣流激振力。一是靜葉尾跡激力，由于靜葉出口邊有一定的厚度，致使出口高速汽流對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生周期性高頻激振力。二是部分進(jìn)汽級(jí)激振力，由于汽輪機(jī)噴嘴存在部分進(jìn)汽，動(dòng)葉轉(zhuǎn)過(guò)此區(qū)域前后將在葉片上產(chǎn)生周期性的低頻交變力;

(7)軸承油膜失穩(wěn)會(huì)引起振動(dòng)。軸承油膜受轉(zhuǎn)子分頻激振力作用產(chǎn)生渦動(dòng)，進(jìn)一步發(fā)展成為突發(fā)性的強(qiáng)烈振動(dòng)，易造成轉(zhuǎn)子和軸承的嚴(yán)重破壞。油膜失穩(wěn)導(dǎo)致振動(dòng)的典型特征是振動(dòng)頻率略低于轉(zhuǎn)子工頻的一半，即所謂的半頻振動(dòng)，且具有突發(fā)性和間歇性;

(8)汽輪機(jī)葉輪兩端采用油潤(rùn)滑軸承支撐，水泵側(cè)由水潤(rùn)滑軸承支撐，軸系為三支撐。如果各軸承標(biāo)高不在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子負(fù)荷的分配就不合理。油軸承負(fù)荷輕的一邊軸瓦內(nèi)油膜形成不好或根本就無(wú)法形成油膜，這樣就會(huì)誘發(fā)機(jī)組的自激振動(dòng)、油膜振動(dòng)等。而負(fù)荷重的一邊，軸瓦溫度升高，產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，油膜形成不好，也容易引起機(jī)組振動(dòng)。水軸承由于負(fù)荷分配不合理，不易形成水膜，容易產(chǎn)生磨損，引起機(jī)組振動(dòng)。軸承安裝中頂隙等不當(dāng)也會(huì)引起振動(dòng);

(9)機(jī)組內(nèi)部及外部接口管路復(fù)雜，管道內(nèi)的流體流動(dòng)會(huì)由于管系的轉(zhuǎn)彎、變徑、分支、合并及閥門節(jié)流，在管道內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的紊流，甚至?xí)a(chǎn)生空化，會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生較強(qiáng)的激振力。如果與管路的固有頻率接近，就會(huì)激起管路系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)。外部管系振動(dòng)對(duì)機(jī)組影響也較大，雖然與機(jī)組通過(guò)波紋管或橡膠軟管進(jìn)行撓性連接，但由于波紋管和橡膠軟管仍有較大的剛度，管系的振動(dòng)仍會(huì)傳遞到機(jī)組，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)產(chǎn)生一定影響。

2 噪聲源分析

(1)機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲是由于機(jī)械系統(tǒng)受迫振動(dòng)和固有振動(dòng)引起的。聲波是機(jī)械振動(dòng)的傳播過(guò)程，實(shí)際發(fā)生的噪聲歸根結(jié)底是由于振動(dòng)源的強(qiáng)烈振動(dòng)所造成的。因此，機(jī)械部件之間的交變力引起的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。這些力的傳遞和作用可分為撞擊力、周期性作用力和摩擦力。汽輪給水泵機(jī)組是受到上述幾種力的同時(shí)作用。

(2)管道和閥門的噪聲

1)管道中的流體由于汽蝕、湍流和摩擦激發(fā)的壓力擾動(dòng)會(huì)激發(fā)噪聲，尤其當(dāng)湍流流過(guò)管道中具有不規(guī)則形狀的元件和不光滑表面時(shí)，會(huì)進(jìn)一步激發(fā)噪聲;

2)管道發(fā)生共振時(shí)激發(fā)的強(qiáng)噪聲;

3)管道有水錘現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)生的類似撞擊的聲音;

4)管道的開(kāi)口、匯合和分支等處產(chǎn)生的強(qiáng)紊流場(chǎng)激勵(lì)的噪聲;

5)閥門節(jié)流引起的強(qiáng)湍流，甚至產(chǎn)生空化，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)噪聲產(chǎn)生。

通過(guò)以上分析可知，機(jī)組主要的激振源見(jiàn)表1。

3 減振降噪控制措施

降低給水泵的振動(dòng)噪聲，主要從振源控制措施方面著手，并在傳遞途徑上采取措施進(jìn)行減振，綜合運(yùn)用減振、隔振等多種主動(dòng)、被動(dòng)方法來(lái)達(dá)到降低噪聲的目的。

表1 主要激振頻率(n 為轉(zhuǎn)速)Table 1 Main vibration frequencies(n is rotary speed)

3.1 給水泵減振降噪控制措施

該機(jī)組振動(dòng)和空氣噪聲指標(biāo)要求嚴(yán)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)從給水泵整體結(jié)構(gòu)、水力設(shè)計(jì)、部件匹配、軸系和軸承、機(jī)架隔振等多方面進(jìn)行了考慮，以降低給水泵的振動(dòng)和噪聲。

(1)采用多級(jí)葉輪，降低葉輪圓周線速度。

(2)優(yōu)化過(guò)流部件

1)在水力模型的選取過(guò)程中，采用CFD 仿真計(jì)算和傳統(tǒng)一維設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)泵的性能及壓力分布進(jìn)行分析，并進(jìn)行全尺寸的水力模型試驗(yàn)，提高該水力模型的效率，降低出現(xiàn)氣蝕的可能性;

此外，我國(guó)疆土東西跨度大，南北迥異，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且不同的地質(zhì)構(gòu)造單元中地殼物質(zhì)組成差異較大，導(dǎo)致不同的城市地下管線鋪設(shè)方法差異較大，鋪設(shè)深度和管線材質(zhì)選用方面，都使得在探測(cè)過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)管線材質(zhì)及用途來(lái)選擇(表1)。因此，在不同的城市探測(cè)地下管線時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐叵鹿芫€的材質(zhì)的探測(cè)技術(shù)，才能取得較好探測(cè)結(jié)果。

2)吸入室采用吸入錐管，在錐管內(nèi)布置導(dǎo)流柵板，保證液流均勻穩(wěn)定進(jìn)入葉輪;

3)壓出室為雙螺旋蝸殼，既可以平衡泵在各個(gè)工況下的徑向力，又可以保證泵流動(dòng)和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，減小不平衡力;

4)葉輪口環(huán)采用簡(jiǎn)單的環(huán)形密封，并取較大的間隙，防止泵轉(zhuǎn)子撓動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不平衡水力激振力。

(3)將水泵各級(jí)葉片錯(cuò)開(kāi)一定的相位，確保各級(jí)隔舌處湍動(dòng)能不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值，從根本上抑制振動(dòng)的產(chǎn)生。

(4)為避開(kāi)共振頻率，提高接觸剛度，水泵結(jié)構(gòu)采用剖分式渦殼，改善機(jī)組總體特性。

(5)提高工藝控制，常規(guī)鑄造方法使葉片分度和葉片形狀產(chǎn)生較大誤差，影響了過(guò)流部件的水力性能。在水力部件匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行精密鑄造可以有效降低鑄造尺寸誤差［2］，并使過(guò)流表面光滑程度提高，重點(diǎn)控制葉片分度精度。如果能采取銑制加工泵輪，提高加工精度和表面光潔度，對(duì)減振降噪更為有利。

(6)振動(dòng)傳遞途徑控制措施，通過(guò)采用阻尼材料設(shè)計(jì)泵機(jī)架，在保證機(jī)組功能的前提下，減小水泵振動(dòng)向機(jī)組機(jī)腳傳遞。

(7)進(jìn)行機(jī)架、泵體、吸入室、泵輪等主要部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和模態(tài)分析，避開(kāi)共振頻率。

3.2 汽輪機(jī)減振減噪控制措施

(1)增加汽輪機(jī)噴嘴后的壓力，降低噴嘴后的汽流速度，減小汽流的空氣噪音。

(2)汽輪機(jī)和給水泵共用一根主軸，減少安裝環(huán)節(jié)引起附加不平衡量。

(3)轉(zhuǎn)子設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡用螺孔。

(4)盡可能縮短軸承跨距，增加轉(zhuǎn)子剛度，減小轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

(5)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用平行齒輪方案，設(shè)在轉(zhuǎn)子端部，可提高加工精度，降低對(duì)軸系的擾動(dòng)，減小振動(dòng)噪聲源。

(6)齒輪油泵采用內(nèi)嚙合齒輪泵。相同排量下，與外嚙合齒輪泵相比，內(nèi)嚙合齒輪泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子同向轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪間重疊系數(shù)大，產(chǎn)生的噪音小，磨損少，壽命長(zhǎng)。同時(shí)，內(nèi)嚙合齒輪泵幾乎不會(huì)產(chǎn)生困油現(xiàn)象，加上吸油腔進(jìn)口面積大，不會(huì)引起氣蝕現(xiàn)象，流量和壓力脈動(dòng)較小，所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)噪音小。并且較外嚙合齒輪泵體積小，重量輕，維護(hù)方便。

(7)齒輪油泵與減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間采用撓性連接，減弱主油泵的振動(dòng)對(duì)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)組轉(zhuǎn)子的影響。

(8)對(duì)汽缸、軸承箱、公共底座、撓性板進(jìn)行剛性分析，保證機(jī)組熱膨脹順暢，同時(shí)增加機(jī)組剛性，減小機(jī)組軸系在運(yùn)行過(guò)程中標(biāo)高變化引起的振動(dòng)噪聲。并使公共底座等主要部件的固有頻率有效地避開(kāi)機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率范圍，見(jiàn)圖1。

圖1 公共底座(有油時(shí))的1 階振型Figure 1 1st phase vibration model of common base(oil feeding)

3.3 機(jī)組其它部分的減振減噪控制措施

3.3.1 采用NOPD(非阻塞性微顆粒阻尼)減振技術(shù)

NOPD 技術(shù)是在振動(dòng)結(jié)構(gòu)能量傳輸通道的某些部位設(shè)計(jì)加工成一組小孔或蜂窩狀結(jié)構(gòu)，并在小孔或蜂窩空腔內(nèi)填充適量狀如某些類型的微顆粒(粉體)，使之處于非阻塞狀態(tài)(從而成非連續(xù)介質(zhì)特性)。這樣一種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以對(duì)某些實(shí)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)產(chǎn)生較大的能耗能量，進(jìn)而隔離振動(dòng)傳遞，見(jiàn)圖2。其突出優(yōu)點(diǎn)為:

(1)不增加結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化;

(2)不須改變結(jié)構(gòu)部件的總體外形設(shè)計(jì);

(3)增加的阻尼效果明顯;

(4)阻尼特性基本不受環(huán)境條件的影響，性能穩(wěn)定，不老化。

圖2 前軸承箱支撐機(jī)座NOPD 減振Figure 2 NOPD vibration reduction of the front bearing box supporting base

為了使該技術(shù)達(dá)到良好的效果，需要研究的內(nèi)容是分析研究打孔的位置、打孔的數(shù)量、粉體材料特性及粉體的填充等，并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

NOPD 減振頻帶很寬，在中、高頻段效果尤為突出，通常能將系統(tǒng)的模態(tài)阻尼提高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

在該汽輪給水泵機(jī)組的主油泵安裝機(jī)座、前軸承箱的支撐機(jī)座、后軸承座上均采用了NOPD減振技術(shù)。

3.3.2 豆包阻尼(BBD)減振技術(shù)

豆包阻尼(BBD)技術(shù)與NOPD 技術(shù)一樣，也是基于大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的減振技術(shù)，是在約束層內(nèi)填充一定直徑的顆粒，通過(guò)碰撞、摩擦耗能，因此多種因素都會(huì)對(duì)BBD 的實(shí)施效果產(chǎn)生影響，包括顆粒直徑、激振力、豆包剛度(柔性約束比剛性約束更有利于顆粒介質(zhì)耗能)、顆粒間隙。

在工程中應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題:

(1)對(duì)阻尼較大的主振動(dòng)系統(tǒng)，豆包設(shè)計(jì)應(yīng)取較大質(zhì)量和較大直徑的顆粒以增加豆包沖擊阻尼的動(dòng)量交換作用，提高其減振效果;

(2)主振動(dòng)系統(tǒng)屬于高頻振動(dòng)時(shí)，豆包設(shè)計(jì)應(yīng)取相對(duì)較小的間隙，即緊豆包;若以低頻為主，則取相對(duì)較大的間隙，即松豆包;

(3)豆包質(zhì)量應(yīng)盡可能設(shè)置在主系統(tǒng)振動(dòng)最大處;

(4)以上因素都會(huì)對(duì)BBD 的減振效果有直接或者間接的影響，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明它們之間相互制約，在不同的情況下影響的權(quán)重是不同的，因此在實(shí)施中需分情況對(duì)待。

在前軸承箱、后軸承箱和油箱側(cè)壁均可采取BBD 減振技術(shù)。

圖3 為豆包安裝示意圖，該方法安裝拆卸方便，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。

圖3 豆包安裝示意圖Figure 3 Mounting digram of BBD

圖4 后軸承箱基座盒式減振器Figure 4 Case type vibration isolator of rear bearing box base

3.3.3 盒式減振機(jī)理概述

盒式減振器的機(jī)理在于摩擦與沖擊耗能，而本方案在盒中的每個(gè)腔體內(nèi)部放入豆包，這樣就相當(dāng)于多個(gè)豆包的耗能水平之和，且對(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，如圖4 所示。在機(jī)組振動(dòng)時(shí)，位于振動(dòng)傳遞路徑的盒式減振器通過(guò)盒體內(nèi)的豆包中顆粒之間、豆包與腔體的摩擦與碰撞，達(dá)到耗能的目的。

3.3.4 金屬橡膠隔振技術(shù)

針對(duì)汽輪給水泵機(jī)組中脈動(dòng)沖擊較大的汽水管路和油管路，利用金屬橡膠隔振器支架代替金屬固定支架。金屬橡膠采用金屬相互勾連，然后沖壓成型，具有橡膠材料的阻尼特性。金屬橡膠隔振器的材料需耐高溫、耐濕度、耐腐蝕，還應(yīng)具有壽命長(zhǎng)及韌性好等特點(diǎn)，一般選用鎳鉻鈦合金。金屬橡膠隔振器的安裝方式見(jiàn)圖5 所示。

圖5 金屬橡膠隔振器安裝方式Figure 5 Mounting method of metal similar to rubber vibration isolator

4 結(jié)論

汽輪給水泵機(jī)組的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題較為復(fù)雜，激勵(lì)源多。必須認(rèn)真分析各類激振源，從設(shè)計(jì)源頭對(duì)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制，同時(shí)在傳播途徑中采取阻尼隔振，并對(duì)加工和裝配工藝過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，采取綜合的振動(dòng)噪聲控制措施才能達(dá)到理想的減振降噪效果。

［1］吳英友，趙耀，陳烔.汽輪給水泵機(jī)組振動(dòng)頻率特性分析.中國(guó)艦船研究，2006(12):90-93.

［2］孫衛(wèi)平，李兵，馮彥華，龔衛(wèi)鋒.艦船用泵技術(shù)研究.上海造船，2011(2):47-49.