核電三螺桿泵自激振動(dòng)分析

史慶峰， 張精干， 劉斌， 時(shí)宏磊， 祝太富

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300)

0 引 言

三螺桿泵是一種先進(jìn)的容積式泵，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸送介質(zhì)黏度范圍廣、液力脈動(dòng)小、壽命長、平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于核電機(jī)組密封油系統(tǒng)。振動(dòng)和噪聲是三螺桿泵在使用過程中的最常見問題，引起三螺桿泵振動(dòng)和噪聲的常見原因有機(jī)械強(qiáng)迫振動(dòng)、流體脈動(dòng)及氣蝕、電磁振動(dòng)等。三螺桿泵自帶安全閥，雖然國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了安全閥回流壓力值，但近年來，由于系統(tǒng)需求流量與安全閥和泵流量不匹配問題，多臺核電機(jī)組三螺桿泵在運(yùn)行中出現(xiàn)一種自激振動(dòng)。與氣蝕相比，自激振動(dòng)的振動(dòng)幅值和噪聲成倍增加，并伴隨系統(tǒng)介質(zhì)流量和壓力的劇烈波動(dòng)。本文通過試驗(yàn)和實(shí)際案例分析三螺桿泵自激振動(dòng)機(jī)理，并提出應(yīng)對措施。

1 試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)臺

作為定排量的容積式泵，三螺桿泵經(jīng)常應(yīng)用于復(fù)雜運(yùn)行工況。例如作為高壓備用密封油泵，既需要該泵能夠提供全部密封油的全流量運(yùn)行，也需要該泵完全備用時(shí)全溢流或小流量運(yùn)行。本文通過對不同螺旋升角的三螺桿泵進(jìn)行流量、壓力試驗(yàn)，分析泵振動(dòng)和噪聲表現(xiàn)。試驗(yàn)臺布置如圖1所示。試驗(yàn)介質(zhì)為64#潤滑油，選擇46°螺桿升角三螺桿泵作為被式泵，并設(shè)置安全閥壓力為1.4 MPa。出口截止閥全開，此時(shí)泵出口壓力為0.2 MPa，流量為864 L/min。逐步關(guān)閉出口截止閥，出口壓力逐步上升至1.4 MPa；繼續(xù)關(guān)閉出口截止閥至全關(guān)狀態(tài)，此時(shí)泵出口流量為0 L/min，安全閥全溢流。在此過程中，泵出口壓力較低時(shí)，存在氣蝕聲音，壓力逐步升高后，氣蝕現(xiàn)象消失；壓力繼續(xù)升高至安全閥溢流時(shí)，氣蝕重新出現(xiàn)。

將安全閥定值由1.4 MPa調(diào)低至0.8 MPa，關(guān)閉出口隔離閥，在泵安全閥全溢流狀態(tài)下，氣蝕現(xiàn)象始終存在。

關(guān)閉出口截止閥，出口壓力為1.4 MPa，此時(shí)快速打開出口截止閥，泵出口壓力迅速下降，在1.3 MPa時(shí)出現(xiàn)爆震情況并隨即消失。

將被式泵更換為42°螺旋升角的三螺桿泵，重復(fù)上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，未發(fā)現(xiàn)氣蝕和爆震現(xiàn)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 試驗(yàn)臺示意圖

三螺桿泵入口處易產(chǎn)生低壓區(qū)，在相同條件下，轉(zhuǎn)速越高，流量越大，泵抗氣蝕性能越弱。因此使用42°螺桿升角的三螺桿泵進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯氣蝕。

使用46°螺桿升角的三螺桿泵進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以得出如下3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果：1）在泵出口低壓低負(fù)載的條件下，泵工作過程中有明顯的汽蝕現(xiàn)象，伴隨明顯的噪聲和振動(dòng)，逐步增加泵的出口壓力，使泵達(dá)到一定的負(fù)載壓力以后，汽蝕現(xiàn)象逐步削弱直至消失；2）完全關(guān)閉出口閥后，泵的全部輸出流量通過泵本體自帶安全閥溢流，泵體上部及閥體表現(xiàn)出劇烈的汽蝕現(xiàn)象，伴隨明顯的噪聲和振動(dòng)；3）安全閥全溢流狀態(tài)下，快速打開出口隔離閥，出現(xiàn)更為短暫劇烈的爆震和異響。

針對試驗(yàn)結(jié)果1），三螺桿泵低壓區(qū)含氣泡的油液順著螺桿沿軸向往泵伸軸端移動(dòng)，如圖2所示。因?yàn)楸贸隹诘拓?fù)載，所以油液在經(jīng)過螺桿的各級密封腔時(shí)只有緩慢微量的壓力上升，油液中的氣泡得以較為完整的保存。油液到達(dá)軸伸端高壓腔室以后，急速轉(zhuǎn)彎并通過狹窄的排出口排出，因而形成紊流且壓力明顯變化，氣泡破滅，產(chǎn)生汽蝕。

當(dāng)出口負(fù)載增加以后，從螺桿的各級密封腔開始已經(jīng)形成一定的壓力梯度，氣泡在軸向移動(dòng)的過程中逐步溶解回液體，不會在出口部分集中破滅、造成汽蝕。因此出口有了一定的負(fù)載后，汽蝕現(xiàn)象會逐步削弱甚至消失。

針對試驗(yàn)結(jié)果2），全溢流狀態(tài)下泵的出口負(fù)載壓力偏高，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果1）的分析，出口負(fù)載壓力偏高有利于克服氣蝕，但實(shí)際表現(xiàn)為氣蝕更為劇烈，其主要原因?yàn)椋罕玫娜颗懦隽髁客ㄟ^安全閥溢流，安全閥的喉徑通流能力限制，液體通過閥喉孔以后，進(jìn)入泵的入口低壓區(qū)域，劇烈的壓力下降導(dǎo)致油液瞬間汽化形成大量的氣泡。含氣泡的油液直接進(jìn)入螺桿各級密封腔，即使有梯級增加，但大量的氣泡在急速破滅，造成汽蝕。由于全溢流循環(huán)的距離很短、閥喉孔前后壓力變化劇烈、長期封閉循環(huán)也會造成油液快速的溫升，所以全溢流條件下、表現(xiàn)出更劇烈的汽蝕。

針對試驗(yàn)結(jié)果3），泵本體安全閥閥芯的位置決定安全閥是處于開啟還是閉合的狀態(tài)，而閥芯的位置及動(dòng)作方向取決于閥芯所受到的3個(gè)主要作用力的合力，如圖3所示。

圖2 三螺桿泵剖面圖

圖3 安全閥閥芯受力示意圖

安全閥全溢流情況下，安全閥全開，此時(shí)快速打開出口隔離閥，降低泵出口負(fù)載壓力，高壓腔壓力降低，隨著閥芯向高壓腔體移動(dòng)，開度減小，溢流量也同步縮減?？焖匍_啟泵出口隔離閥引起下游流量劇烈變化，此時(shí)閥芯高壓腔和低壓腔壓力均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此安全閥閥芯出現(xiàn)短暫的頻繁啟閉過程，撞擊閥座，形成比氣蝕更為劇烈的噪聲和振動(dòng)，并伴隨泵出口壓力的劇烈變化。

當(dāng)泵出口管線下游安裝有逆止閥或安全閥時(shí)，泵體安全閥的快速啟閉將與系統(tǒng)中的逆止閥或安全閥耦合，形成持續(xù)的頻繁啟閉和系統(tǒng)壓力的劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致泵產(chǎn)生自激振動(dòng)。

2 三螺桿泵自激振動(dòng)案例

某核電機(jī)組高壓備用密封油泵，是臥式交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的定排量三螺桿泵，電動(dòng)機(jī)與泵之間通過柔性軸來連接。泵的吸入口在油箱油位下以確保連續(xù)不斷地吸油。在汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過程中，當(dāng)主油泵壓力太低不能給發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)提供高壓密封油時(shí)，該泵提供備用油源。其流程示意圖如圖4所示。

在某次大修后啟機(jī)過程中，汽機(jī)轉(zhuǎn)速升至約2500 r/min時(shí)，螺桿泵出現(xiàn)間歇性爆震和噪聲，同時(shí)伴隨下游管路油壓劇烈波動(dòng)，波動(dòng)范圍0.4～1.4 MPa左右。最終因油壓波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組無法升至3000 r/min。

由于高壓備用密封油泵前期運(yùn)行狀態(tài)良好，排除了該泵存在機(jī)械強(qiáng)迫振動(dòng)的可能。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至2500 r/min時(shí)高壓備用密封油泵表現(xiàn)為間歇性爆震和強(qiáng)烈噪聲，并伴隨下游油壓劇烈波動(dòng)，由于其振動(dòng)幅值、噪聲和油壓波動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于該泵氣蝕時(shí)的振動(dòng)幅值、噪聲和油壓波動(dòng)幅度，懷疑該泵存在自激振動(dòng)。

在機(jī)組啟機(jī)過程中，密封油由交流密封油泵提供，高壓備用密封油泵僅作為備用泵。因此高壓備用密封油泵安全閥處于全溢流狀態(tài)，同時(shí)泵下游逆止閥005VH處于開啟狀態(tài)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升過程中，由汽輪機(jī)帶動(dòng)的主油泵出口壓力逐漸增大。在2500 r/min時(shí)主油泵出口壓力達(dá)到1.19 MPa，接近備用密封油泵通過泵體安全閥設(shè)定的1.2 MPa工作壓力。當(dāng)主油泵出口壓力達(dá)到高壓備用密封油泵安全閥設(shè)定壓力時(shí)，逆止閥005VH關(guān)閉。005VH的突然關(guān)閉導(dǎo)致高壓備用密封油泵出口壓力突然升高，現(xiàn)場實(shí)際出口壓力升高至1.4 MPa。出口壓力的突然升高重新頂開005VH。而005VH突然打開導(dǎo)致泵出口壓力驟降，使泵安全閥關(guān)閉，引起泵出口壓力升高并再次頂開下游逆止閥005VH。下游逆止閥005VH和泵安全閥相互耦合，快速頻繁開啟，導(dǎo)致安全閥閥芯產(chǎn)生自激振動(dòng)并引起下游壓力劇烈波動(dòng)。

在該案例中，當(dāng)下游逆止閥005VH關(guān)閉時(shí)，三螺桿泵流量大，泵體安全閥全溢流情況下不能完全匹配泵流量，導(dǎo)致泵出口壓力升高至1.4 MPa，超過安全閥設(shè)定值1.2 MPa。三螺桿泵安全閥與下游彈簧式逆止閥耦合，形成自激振動(dòng)。

圖4 高壓備用密封油泵流程示意圖

3 結(jié) 語

1）對三螺桿泵的流量試驗(yàn)表明，三螺桿泵在出口低壓低負(fù)載的條件下，易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象；逐步增加泵的出口壓力，使泵達(dá)到一定的負(fù)載壓力以后，汽蝕現(xiàn)象逐步削弱直至消失。

2）當(dāng)三螺桿泵下游流量需求為0時(shí)，泵所有排出流量完全依靠泵體安全閥；若安全閥不能匹配泵排出流量，將引起泵出口壓力升高并超過安全閥設(shè)定值，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣蝕現(xiàn)象。

3）三螺桿泵安全閥不能匹配泵排出流量時(shí)，安全閥全溢流狀態(tài)下，下游需求流量的擾動(dòng)將引起三螺桿泵安全閥和下游逆止閥的耦合，形成自激振動(dòng)，表現(xiàn)為劇烈振動(dòng)和噪聲，并伴隨壓力和流量的劇烈波動(dòng)。

4）根據(jù)三螺桿泵自激振動(dòng)機(jī)理，對于帶安全閥的定排量容積式泵，若排出流量與安全閥不匹配，同樣會引起自激振動(dòng)。

5）目前市場上的容積式泵雖然配置安全閥，但安全閥溢流量不一定能全部滿足泵流量參數(shù)。因此，在泵選型時(shí)，應(yīng)確保容積式泵在滿足最高流量需求時(shí)，系統(tǒng)最低流量與安全閥溢流量是否能夠完全匹配泵排出流量。