葉片通過頻率振動(dòng)的分析及治理

鄭永強(qiáng)

（貴州粵黔電力有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553505）

葉片通過頻率振動(dòng)的分析及治理

鄭永強(qiáng)

（貴州粵黔電力有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553505）

針對(duì)泵或風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中屢屢出現(xiàn)的葉片通過頻率振動(dòng)，指出了流體的壓力脈動(dòng)是其激振源，而加劇葉片通過頻率振動(dòng)故障的主要原因是：葉片通過頻率共振，進(jìn)出口管線設(shè)計(jì)不合理，葉片未在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行以及安裝偏差或運(yùn)行磨損等。最后給出了相應(yīng)的工程實(shí)例，可為類似振動(dòng)故障的處理提供參考。

泵；風(fēng)機(jī)；葉片通過頻率；振動(dòng)

0 引言

葉片通過頻率振動(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)生葉片通過頻率的多倍頻振動(dòng)[1]。

針對(duì)葉片通過頻率的振動(dòng)問題，大量研究集中在利用CFD等商業(yè)軟件，對(duì)流體機(jī)械腔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(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，來降低葉片通過頻率的振動(dòng)幅值[2-7]。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)大等問題。

1 葉片通過頻率振動(dòng)的機(jī)理分析

葉片通過頻率的振動(dòng)故障主要出現(xiàn)在泵或風(fēng)機(jī)上，但更常見于泵類，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)葉片通過頻率振動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)葉片通過頻率的振動(dòng)故障，無外乎兩方面原因：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)為葉片通過頻率振動(dòng)十分劇烈，這在現(xiàn)場(chǎng)是最為常見的；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)了較大的葉片通過頻率振動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)由于運(yùn)行壞境惡化，引發(fā)葉片通過頻率振動(dòng)的常見故障包括：

（1）由于流體機(jī)械與其進(jìn)出管線形成一個(gè)封閉的流動(dòng)空間，如果管線設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致流體在管線中的壓力或速度產(chǎn)生突變，就可能激發(fā)葉片通過頻率的振動(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，流體離開葉輪時(shí)的切向速度分量較小，激發(fā)的壓力脈動(dòng)也較?。划?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)了葉片通過頻率振動(dòng)。

2 案例1——結(jié)構(gòu)共振所誘發(fā)的葉片通過頻率振動(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)存在一定的共性問題，具體如下：（1）主給水泵軸系振動(dòng)問題主要表現(xiàn)在前置泵上，其最大振動(dòng)頻率達(dá)到12 mm/s左右，已超過制造廠給出的限值（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）。

圖1 主給水泵軸系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main feed water pump shaft system

圖2 前置泵振動(dòng)頻譜圖Fig.2 Pre pump vibration spectrum

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)120 Hz左右的結(jié)構(gòu)固有頻率（圖3中綠色曲線）；（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)該泵惰走過程中的10倍頻振動(dòng)成分（2倍葉片通過頻率）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）。

因此，該前置泵振動(dòng)故障的原因是其葉片通過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），最終把前置泵的振動(dòng)降至了合格水平。

圖3 頻響函數(shù)及BODE曲線Fig.3 The frequency response function and BODE curve

3 案例2——偏離最優(yōu)工況所誘發(fā)的葉片通過頻率振動(dòng)

某電動(dòng)消防泵為臥式離心泵，額定轉(zhuǎn)速為2 965 r/min，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8 mm/s（表1序號(hào)2），超過了現(xiàn)行國標(biāo)（GB/T 6075.3-2011）規(guī)定的泵振動(dòng)值不應(yīng)超過4.5 mm/s，電機(jī)振動(dòng)值不應(yīng)超過2.8 mm/s。（2）振動(dòng)頻率為葉片通過頻率（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)。

圖4 消防泵軸系結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 The fire pump shaft structure and measuring points layout

經(jīng)咨詢制造廠家（美國Peerless Pump Company），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)果表明葉片通過頻率大幅下降。

表1 不同工況下消防泵振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.1 The vibration of fire pump in different condition

4 案例3——運(yùn)行磨損所誘發(fā)的葉片通過頻率振動(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3 mm/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。

圖5 一次風(fēng)機(jī)軸系結(jié)構(gòu)布置圖Fig.5 The primary air fan shaft structure

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)葉片的開度，并揭開風(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)葉的開度，風(fēng)機(jī)振動(dòng)也隨之迅速爬升。當(dāng)動(dòng)葉開度超過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，且葉片通過頻率更為明顯，比如：在動(dòng)葉開度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，其中葉片通過頻率振動(dòng)（22X）就達(dá)到9.88 mm/s。

圖6 在60%動(dòng)葉開度工況下，風(fēng)機(jī)殼體中分面的振動(dòng)趨勢(shì)圖Fig.6 The primary air fan vibration trend in adjustable vane opening 60%

考慮到振動(dòng)與動(dòng)葉開度關(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)行中逐漸爬升起來的，這就可以排除風(fēng)道流阻的設(shè)計(jì)問題。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。

5 結(jié)語

葉片通過頻率是泵或風(fēng)機(jī)由于流體的壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生的常見振動(dòng)頻率成分之一。誘發(fā)劇烈的葉片通過頻率振動(dòng)的常見原因有葉片通過頻率共振、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?，F(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，來消除該振動(dòng)故障。

（References）

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Analysis and Disposal with the Blade Passing Frequency Vibration

ZHENG Yongqiang
(Guizhou Yueqian Electric Power Co.,Ltd,Liupanshui Guizhou 553505,China)

According to the blade passing frequency vibration of pump or fan,it is pointed out that the pressure pulsation of fluid is the source of vibration.The main reasons for the increase of blade vibration failure are blade passing frequency resonance,unreasonable design of the import and export pipeline design,non efficient running condition of the blade,and installation deviation or wear in operation.Finally,the actual engineering cases are given to provide reference for dealing with similar vibration faults.

pump;fan;blade passing frequency;vibration

TK268.1

B

1006-3986(2017)03-0035-04

10.19308/j.hep.2017.03.008

2017-02-05

鄭永強(qiáng)（1974），男，貴州遵義人，技師。