電廠泵的振動(dòng)問(wèn)題研究

天津市陳塘熱電有限公司 郭 輝

1 電廠泵常見(jiàn)振動(dòng)問(wèn)題

利用FFT 對(duì)電站水泵的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了波形分析，進(jìn)一步得出水泵信號(hào)的振動(dòng)頻率特點(diǎn)。本次診斷方法和一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械使用的診斷技術(shù)所遵循的原理相同，都是通過(guò)被測(cè)泵的震動(dòng)頻譜所引發(fā)的部件誤差來(lái)確定震動(dòng)頻率的來(lái)源以及特征，但振動(dòng)誤差的判定方法要遵循一些基本原則。其中，當(dāng)頻率為1X 時(shí)誤差形成的原因大多與轉(zhuǎn)子自身的動(dòng)平衡相關(guān)。例如，某電廠水泵的濾網(wǎng)發(fā)生損壞引起泵內(nèi)出現(xiàn)雜質(zhì)，破壞了電泵的動(dòng)平衡性。同時(shí)泵安裝不牢固也會(huì)導(dǎo)致安裝步數(shù)超標(biāo)或虛腳故障，引起1x 頻率的不規(guī)則振動(dòng)。若水泵數(shù)顯2x 頻率的振動(dòng)則通常是由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等原因?qū)е碌牟ㄥe(cuò)位有關(guān)。遇到這些問(wèn)題后須首先檢查方向，如發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)2x 頻率也可借助斷電的方式來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)頻率趨近0.5x 時(shí)導(dǎo)致故障的原因多半與油膜卷盤(pán)相關(guān)，這時(shí)可嘗試調(diào)整機(jī)油的溫度及壓力，檢查故障是否好轉(zhuǎn)。

上述問(wèn)題若在實(shí)踐中出現(xiàn)，若在沒(méi)有頻譜分析儀的條件下，根據(jù)單一頻率下振幅和速度的關(guān)系:，其中，在該式中，表示振幅峰-峰位移值(mm),但是在一般使用時(shí)將單位換算成與振動(dòng)速度對(duì)照使用；表示頻率為f 振速均方根值(mm/s)；表示為圓頻率(rad/s)；可以確定在單一頻率下振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的對(duì)應(yīng)數(shù)值。

同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手搖動(dòng)測(cè)振儀測(cè)量振動(dòng)速度和振幅，如果振幅與振動(dòng)速度實(shí)際測(cè)量值的比值正好符合上述公式，則可用上面的公式對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行估算，將主要振動(dòng)頻率代入式中，也就是1x 的波頻率；測(cè)出振幅與轉(zhuǎn)速均與上述公式不匹配，進(jìn)而通過(guò)換算來(lái)確定頻率的特性；換算比測(cè)出的振幅稍大于公式代入所計(jì)算出來(lái)的振幅，表明實(shí)際的震動(dòng)頻率更低，且可能有低階頻如油渦等現(xiàn)象，否則葉片頻率VPF 可能有2倍或更高階頻率，因此這對(duì)于振動(dòng)問(wèn)題的分析和處理非常有利，可通過(guò)手動(dòng)振動(dòng)儀或DCS 監(jiān)控同時(shí)測(cè)量振動(dòng)速度和振幅。

除根據(jù)上述診斷原理容易確認(rèn)的問(wèn)題外還出現(xiàn)了許多振動(dòng)難題，特別是電泵驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在1x 或2x的頻率下振動(dòng)偏大，但發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)平衡卻不能降低頻率；水泵的震動(dòng)較大，難以通過(guò)動(dòng)平衡方式或調(diào)整支架的方式來(lái)改善水泵的整體振動(dòng)狀態(tài)；針對(duì)發(fā)電廠泵環(huán)的頻率振動(dòng)高，輪對(duì)后可能改變振動(dòng)，因此通過(guò)有限元計(jì)算確定水泵的固有頻率成為解決上述難題的重要手段。將水泵和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特性結(jié)合起來(lái)，確定實(shí)際拆卸、檢修等試驗(yàn)結(jié)果并加以對(duì)比，找出振動(dòng)的原因。

2 振動(dòng)問(wèn)題解決策略

2.1 電廠泵電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題解決策略

水泵通常由小型蒸汽輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電站泵在工程中遇到了許多單獨(dú)的振動(dòng)問(wèn)題，特別是對(duì)于功率較低的發(fā)動(dòng)機(jī)組很容易產(chǎn)生1x 或2x 的頻率響應(yīng)。振動(dòng)發(fā)生后既要分析頻譜結(jié)果，也應(yīng)對(duì)現(xiàn)在的固有頻率進(jìn)行計(jì)算，找出問(wèn)題的產(chǎn)生原因。

以某200kW 電廠水泵發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其振動(dòng)特性表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在空載試驗(yàn)臺(tái)架上的振動(dòng)主要發(fā)生在1x 頻率，發(fā)動(dòng)機(jī)在空載恒壓下的振動(dòng)主要為2x 和1x。上述發(fā)動(dòng)機(jī)在野外作業(yè)中表現(xiàn)出明顯的2倍頻率電磁問(wèn)題。停電時(shí)振動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)迅速減小，地腳螺栓松動(dòng)時(shí)振動(dòng)有所減小，但振動(dòng)的頻率明顯超標(biāo)，得出振動(dòng)和速度的相關(guān)性較低的結(jié)論。通過(guò)計(jì)算可得出發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率約在119Hz 上下，不屬于電磁激勵(lì)頻率原本范圍，設(shè)計(jì)基本上能滿足工作減振的要求，電磁發(fā)生振動(dòng)的主要原因?yàn)槭艿桨l(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)以及激振力的影響[1]。比如某650kW 電站水泵發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率特性，在現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)就超標(biāo)了，現(xiàn)場(chǎng)爆震結(jié)構(gòu)的固有頻率和有限元計(jì)算的固有頻率都接近50。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是由于整機(jī)建造過(guò)程中底座的共振引起的。

2.2 電廠泵軸頻振動(dòng)問(wèn)題解決策略

電廠水泵的波頻振動(dòng)是非常常見(jiàn)的，1x 頻率的振動(dòng)屬于一種高振動(dòng)能量，若長(zhǎng)時(shí)間處于這種高振動(dòng)能量中很容易造成波浪事故，因此為了避免這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)在振動(dòng)達(dá)到一定穩(wěn)定值后停機(jī)檢修，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。轉(zhuǎn)子分析作為1x 頻率下動(dòng)力泵的振動(dòng)研究的關(guān)鍵，可采取有限元法控制轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。計(jì)算水泵的臨界轉(zhuǎn)速主要包括計(jì)算臨界干燥轉(zhuǎn)速和臨界濕轉(zhuǎn)速。一般電站水泵有多個(gè)輪級(jí)和長(zhǎng)波段，臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算只考慮負(fù)荷能力，即在臨界干燥轉(zhuǎn)速低于工作轉(zhuǎn)速時(shí)。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)子通過(guò)口環(huán)、節(jié)流閥及管座等流程時(shí)，它的臨界濕轉(zhuǎn)速通常比工作轉(zhuǎn)速高，這時(shí)可以假設(shè)振動(dòng)點(diǎn)更接近干燥轉(zhuǎn)速。

在實(shí)際工作時(shí)，電廠水泵的振動(dòng)程度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增大而提高。振動(dòng)反應(yīng)主要是由轉(zhuǎn)子的殘余動(dòng)力學(xué)引起的，臨界轉(zhuǎn)速不正常運(yùn)行主要原因是轉(zhuǎn)輪液力支承的剛度，中間級(jí)節(jié)流孔和平衡裝置節(jié)流孔隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大，使轉(zhuǎn)子的濕臨界轉(zhuǎn)速始終超過(guò)工作轉(zhuǎn)速[2]。結(jié)合有關(guān)制度，能夠?qū)㈦姀S水泵的發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的水動(dòng)力剛度系數(shù)計(jì)算出來(lái)。

在干轉(zhuǎn)子中，其固有頻率受轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布以及剛度影響，轉(zhuǎn)速的變化受轉(zhuǎn)子固有頻率的影響較小，因此干燥臨界轉(zhuǎn)速通常很低。一旦不能達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速，與動(dòng)平衡機(jī)上的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速相似。當(dāng)處于臨界濕轉(zhuǎn)速下時(shí)，轉(zhuǎn)速的加快會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子固有頻率不斷增加，形成這個(gè)現(xiàn)象的主要因素是間隙密封水的剛度慢慢過(guò)渡到第三階振型，但仍隨轉(zhuǎn)速的升高而切斷，即轉(zhuǎn)子處在軸頭處發(fā)生的局部振動(dòng)。另外，由于這種局部結(jié)構(gòu)沒(méi)有處在中水系統(tǒng)內(nèi)，因此固有頻率主要是受蓄水剛度以及耦合的重量所影響，加上上述兩個(gè)參數(shù)在這次變化中沒(méi)有明顯的體現(xiàn)，因此在坎貝爾曲線圖上看起來(lái)更接近一條水平的直線。

上述示例為KSB 泵（尺寸為5）發(fā)電廠泵。轉(zhuǎn)速提高到4800r/min 左右，軸承體在水平方向的振動(dòng)速度提高到約9.0mm/s，主振頻率為1X 波頻率[3]。波耦合的固有頻率有60Hz、83Hz、108Hz，運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高到4800r/min，轉(zhuǎn)速接近83Hz，泵的振動(dòng)處于共振狀態(tài)。上述轉(zhuǎn)子模型的計(jì)算應(yīng)為水平方向擺動(dòng)的波頭振動(dòng)模態(tài)的固有頻率83Hz，60Hz 應(yīng)為靜態(tài)下轉(zhuǎn)子的總彎曲模態(tài)、即干轉(zhuǎn)子模態(tài)。速度的增加逐漸增加了該振型的固有頻率值，且不超過(guò)運(yùn)行速度[4]。當(dāng)頻率為108Hz 時(shí)垂直方向上的振動(dòng)頻率被排除，這種反應(yīng)更加明顯。在計(jì)算時(shí)，固有頻率應(yīng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的第四種振動(dòng)模式，即軸頭的垂直方向應(yīng)當(dāng)高于固有頻率的水平方向。這樣計(jì)算的主要原因是因?yàn)楫?dāng)處于靜態(tài)狀態(tài)下時(shí)，軸頭的承重能力垂直方向比水平方向具有更高的剛度。

2.3 電廠泵葉頻振動(dòng)

泵正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特性包括1X 波頻率和VPF 沖擊頻率，總的來(lái)說(shuō)葉頻在偏流時(shí)比較明顯。有些電廠有振動(dòng)，因?yàn)槿~片通頻有明顯異常，葉片頻率的高頻值比較困難，電廠水泵的振動(dòng)只有通過(guò)軸承體的振幅和軸瓦的振幅來(lái)識(shí)別才是合格的，若發(fā)現(xiàn)泵體產(chǎn)生異常噪音時(shí)振動(dòng)速度就會(huì)超標(biāo)，這就是為什么有的電站水泵只識(shí)別振幅、發(fā)現(xiàn)不了問(wèn)題的原因。

5號(hào)泵的第一個(gè)葉輪設(shè)計(jì)了5個(gè)葉片，6號(hào)泵的第一個(gè)葉輪設(shè)計(jì)了6個(gè)葉片，第二個(gè)葉輪有7個(gè)葉片，在額定轉(zhuǎn)速下振動(dòng)超過(guò)了5號(hào)泵的10倍頻率振動(dòng)；在偏流量工況下，6號(hào)泵的12X 與7X 頻率振動(dòng)。在處理10x 或12x 振動(dòng)頻率時(shí)，切割第一個(gè)車輪并增大車輪與導(dǎo)向旗之間的距離，在反復(fù)試驗(yàn)后，可能無(wú)法有效降低葉片頻率偏離一般流量調(diào)節(jié)特性，通過(guò)對(duì)軸進(jìn)行鍍鉻或?qū)︽I筒進(jìn)行光干涉安裝，可以顯著改善振動(dòng)[5]。將第一輪換成7片葉片可大大改善第一輪的振動(dòng)，證實(shí)這種振動(dòng)不僅來(lái)自葉片加熱，還與共振有關(guān)。

鍍鉻可有效降低振動(dòng)，使車輪與波浪保持緊密接觸，說(shuō)明車輪與波浪的連通性在這種振動(dòng)中起著重要作用。在計(jì)算踏面車輪固有頻率時(shí)，如果車輪的固定極限僅取決于鍵，則車輪的固有頻率從1000赫茲降到500赫茲，也就是說(shuō)，在實(shí)際變換過(guò)程中砂輪的局部固有頻率接近激勵(lì)頻率和共振形式，有時(shí)不需要涂層，只需將第一個(gè)車輪的鍵分開(kāi)匹配，保持車輪與鍵的微小干涉，可大大降低振動(dòng)[6]。由于第一輪的振動(dòng)問(wèn)題，振動(dòng)的主要異常方向是驅(qū)動(dòng)側(cè)的垂直方向，其他方向都很小，說(shuō)明振動(dòng)也與載體本體和支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率有關(guān)。

通過(guò)計(jì)算5號(hào)泵驅(qū)動(dòng)側(cè)的軸承體（圖1、圖2），可發(fā)現(xiàn)軸承體本身在垂直方向固有頻率趨近于500Hz 的激勵(lì)頻率，但水平方向上的固有頻率反而偏離激勵(lì)頻率的幅度較大，因此垂直方向上的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)明顯超出水平方向的標(biāo)準(zhǔn)。在某型電廠泵的出廠測(cè)試中，在額定流量下振動(dòng)不超過(guò)3.3mm/s,而在約60～70%流量工況下發(fā)生高達(dá)11mm/s 的7X 葉頻振動(dòng)。

根據(jù)《故障設(shè)備診斷》2中3.6.3節(jié)關(guān)于流體沖擊所導(dǎo)致的故障原因認(rèn)為，葉輪蓋板邊緣到導(dǎo)葉蓋板內(nèi)沿、葉輪葉片、導(dǎo)葉葉片等部件之間的間隙若發(fā)生改變，則很有可能進(jìn)一步引發(fā)流體出現(xiàn)壓力脈動(dòng)的現(xiàn)象。因此有資料建議葉片邊緣處理為傾斜角20°的出口邊，使葉輪中滲出的液體在達(dá)到隔舌前能經(jīng)歷有效的緩沖，減緩壓力脈動(dòng)的形成[7]。

因此筆者在處理這個(gè)問(wèn)題時(shí)也采取了斜切導(dǎo)葉的方式（圖3），同時(shí)將葉輪更換型號(hào)，由于新葉輪的工作面行程與原葉輪相比更長(zhǎng)，因此更有利于用來(lái)彌補(bǔ)導(dǎo)葉切割所導(dǎo)致的泵內(nèi)損失（圖4）。

圖1 5號(hào)泵示意圖

圖2 6號(hào)泵驅(qū)動(dòng)側(cè)示意圖

圖3 新設(shè)計(jì)導(dǎo)葉（右）

圖4 新設(shè)計(jì)葉輪（右）

3 結(jié)語(yǔ)

本文按照有限元計(jì)算法對(duì)電廠水泵的振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，進(jìn)一步明確了水泵的振動(dòng)特性。通過(guò)研究，也進(jìn)一步明確了生產(chǎn)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題：在對(duì)電廠泵發(fā)電機(jī)底座結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中的固有頻率進(jìn)行有限元計(jì)算分析，不僅需要計(jì)算其固定頻率與1x 振動(dòng)頻率之間的轉(zhuǎn)速范圍，還應(yīng)當(dāng)明確其與激勵(lì)頻率2x 頻率之間的轉(zhuǎn)速間隔；對(duì)電廠泵的1X 軸頻振動(dòng)問(wèn)題，在排除動(dòng)平衡、松動(dòng)等現(xiàn)象后，還需對(duì)聯(lián)軸器端的共振問(wèn)題予以應(yīng)有的關(guān)注，檢查聯(lián)軸器軸承支承和聯(lián)軸器重點(diǎn)之間的連接剛性；檢查電廠泵的葉頻振動(dòng)頻率，密切關(guān)注振動(dòng)情況與流量之間的關(guān)系，定期檢查轉(zhuǎn)子的松動(dòng)程度。