供水設(shè)備水泵葉片通過頻率振動是流體機械的流道內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動所誘發(fā)的高頻振動，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，如果流道有多個突變或不連續(xù)處，則可能產(chǎn)生葉片通過頻率的多倍頻振動。針對葉片通過頻率的振動問題，大量研究及模擬計算，得出壓力脈動的普遍規(guī)律，據(jù)此提出流道改進、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幅值。這些研究雖然有力地推動了流體機械的優(yōu)化設(shè)計，但推廣到現(xiàn)場葉片通過頻率的振動故障處理，還存在工期長、代價高、風(fēng)險大等問題。
一、供水設(shè)備水泵葉片通過頻率振動的機理分析
供水設(shè)備水泵葉片通過頻率的振動故障主要出現(xiàn)在泵或風(fēng)機上，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)上的壓力脈動相對較小，不易激發(fā)葉片通過頻率振動。
現(xiàn)場出現(xiàn)葉片通過頻率的振動故障，無外乎兩方面原因：一是動剛度不足，即 設(shè)備或與其相連管道的動剛度不足，在壓力脈動作用下，出現(xiàn)振動放大效應(yīng)，甚至共振，表現(xiàn)為葉片通過頻率振動十分劇烈，這在現(xiàn)場是最為常見的；二是運行環(huán)境惡化，使得流體壓力脈動的幅度增大，激發(fā)了較大的葉片通過頻率振動?，F(xiàn)場由于運行壞境惡化，引發(fā)葉片通過頻率振動的常見故障包括：
1）由于流體機械與其進出管線形成一個封閉的流動空間，如果管線設(shè)計不合理，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。
2）葉片未在設(shè)計工況下運行。由于葉輪、導(dǎo)葉等過流部件均是基于最優(yōu)工況而進行設(shè)計的，即在最優(yōu)工況下，流體離開葉輪時的切向速度分量較小，激發(fā)的壓力脈動也較?。划?dāng)設(shè)備運行偏離最優(yōu)工況時，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產(chǎn)生旋渦或脫流現(xiàn)象，而設(shè)備在該狀況下運行就會產(chǎn)生較大的壓力脈動，并可能誘發(fā)葉片通過頻率的振動。
3）設(shè)備安裝偏差或運行磨損將可能導(dǎo)致流道內(nèi)的壓力脈動劇烈，引發(fā)了葉片通過頻率振動。
二、案例1——結(jié)構(gòu)共振所誘發(fā)的葉片通過頻率振動
某600 MW機組配備了A、B、c三臺給水泵，軸系布置及相關(guān)參數(shù)詳見圖1?，F(xiàn)場對三臺主給水泵新機調(diào)試中的振動進行了分別測試，發(fā)現(xiàn)振動存在一定的共性問題，具體如下：(1)主給水泵軸系振動問題主要表現(xiàn)在前置泵上，其最大振動頻率達到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)振動外，前置泵振動的主要頻率成分為5倍頻(5X、125 Hz)振動、10倍頻(10X、250 Hz)振動、以及15倍頻(15X、375 Hz)振動等(圖2)。
考慮到前置泵轉(zhuǎn)子有5根葉片，分析該泵發(fā)生了葉片通過頻率的振動故障。為進一步確定激振源，決定對前置泵的結(jié)構(gòu)固有頻率進行測試，具體如下：(1)現(xiàn)場采用錘擊試驗，對前置泵靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)固有頻率進行了測試，結(jié)果表明存在一個120Hz左右的結(jié)構(gòu)固有頻率(圖3中綠色曲線)；(2)同時，為了解前置泵在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)固有頻率，特對該泵惰走過程中的10倍頻振動成分(2倍葉片通過頻率)的BODE圖進行了測試，結(jié)果表明前置泵存在一個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)場對前置泵前、后軸承分別進行了加支撐處理(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)的葉片通過頻率振動
某電動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)及測點布置如圖4所示。該泵振動特征如下：
1）當(dāng)電機空轉(zhuǎn)時，振動良好(表1序號1)，帶泵運行后，在額定流量下水泵的最大振動超過8 mm／s(表1序號2)，超過了現(xiàn)行國標(GB／T 6075．3—2011)規(guī)定的泵振動值不應(yīng)超過4．5 mm／s，電機振動值不應(yīng)超過2．8 mm／s。
2）振動頻率為葉片通過頻率(4X)及其倍頻(8X)。
3）現(xiàn)場采取一系列振動治理措施，比如：研磨設(shè)備底腳，增大接觸面；對基礎(chǔ)框架進行灌漿處理；對泵體進行解體檢查、重新調(diào)整葉輪口環(huán)與密封間隙；對水泵轉(zhuǎn)子進行高速動平衡等，但振動仍然超標。
經(jīng)咨詢制造廠家(美國Peerless Pump Compa—ny)，該泵是按照《固定消防泵安裝標準》(NFPA20)進行設(shè)計選型的，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)場測試了150％和180％流量下的振動數(shù)據(jù)(表1序號3～4)，結(jié)果表明葉片通過頻率大幅下降。
四、案例3——運行磨損所誘發(fā)的葉片通過頻率振動
某亞臨界600 MW機組鍋爐的雙級、動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機在運行中出現(xiàn)了振動爬升，由3mm／s左右爬升至10 mm／s以上，嚴重影響了風(fēng)機的安全運行。該風(fēng)機工作轉(zhuǎn)速為1 490 r／min，軸系如圖5所示。
現(xiàn)場對一次風(fēng)機進行了詳細的振動測試，結(jié)果如下：
1）由于風(fēng)機的支撐軸承包裹在風(fēng)道內(nèi)，為測試軸承座振動，先關(guān)閉了動葉片的開度，并揭開風(fēng)機的上蓋運行，結(jié)果表明3、4號軸承座振動基本穩(wěn)定在3.5 mm／s左右。
2）安裝風(fēng)機上蓋后帶負荷運行，把振動傳感器臨時固定在風(fēng)機外殼體中分面上，測量風(fēng)機外殼體的振動。當(dāng)風(fēng)機升速至額定轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機振動約為4.0 mm／s左右，然后逐漸增大動葉的開度，風(fēng)機振動也隨之迅速爬升。當(dāng)動葉開度超過60％時，振動已在7.0—14.0 mm／s的范圍內(nèi)大幅波動(圖6)，且主要表現(xiàn)為葉片通過頻率振動(546 Hz左右，22倍頻)。
3）風(fēng)機振動的波動具有周期性，大約15 min左右完成一次波動；另外，與一級葉輪相比，風(fēng)機的二級葉輪處的振動更為劇烈，且葉片通過頻率更為明顯，比如：在動葉開度60％工況下，現(xiàn)場測得二級葉輪處殼體中分面的振動速度達到13.20 mm／s左右，其中葉片通過頻率振動(22X)就達到9.88 mm／s。
考慮到振動與動葉開度關(guān)聯(lián)明顯，分析該風(fēng)機激振源在流場上，而振動速度是在長期運行中逐漸爬升起來的，這就可以排除風(fēng)道流阻的設(shè)計問題。因此決定對風(fēng)機進行解體檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在液壓執(zhí)行機構(gòu)中，一、二級執(zhí)行機構(gòu)的銅襯套磨損嚴重，與中心軸之間的間隙變大超標，造成一、二級葉片的開度不一致而引起風(fēng)機振動異常。隨后對相關(guān)部件進行更換、處理，風(fēng)機振動速度降至2．6 mm／s左右，從而消除了該振動故障。
五、結(jié)語
葉片通過頻率是泵或風(fēng)機由于流體的壓力脈動，產(chǎn)生的常見振動頻率成分之一。誘發(fā)劇烈的葉片通過頻率振動的常見原因有葉片通過頻率共振、管路或風(fēng)道設(shè)計不合理、葉片未在設(shè)計工況下運行、安裝偏差或運行磨損等?，F(xiàn)場可采用結(jié)構(gòu)調(diào)頻處理、運行方式優(yōu)化、檢修安裝調(diào)整等措施，來消除該振動故障。
