葉片通過頻率振動的分析及治理

鄭永強

（貴州粵黔電力有限責任公司，貴州 六盤水 553505）

葉片通過頻率振動的分析及治理

鄭永強

（貴州粵黔電力有限責任公司，貴州 六盤水 553505）

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

泵；風(fēng)機；葉片通過頻率；振動

0 引言

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[1]。

針對葉片通過頻率的振動問題，大量研究集中在利用CFD等商業(yè)軟件，對流體機械腔內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬計算，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[2-7]。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。

1 葉片通過頻率振動的機理分析

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)的壓力脈動也較小；當設(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。

2 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）。

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，對前置泵靜止狀態(tài)的結(jié)構(gòu)固有頻率進行了測試，結(jié)果表明存在一個120 Hz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。

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

某電動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)及測點布置如圖4所示。該泵振動特征如下：（1）當電機空轉(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。

圖4 消防泵軸系結(jié)構(gòu)及測點布置圖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。

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

4 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3 mm/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。

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

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。

圖6 在60%動葉開度工況下，風(fēng)機殼體中分面的振動趨勢圖Fig.6 The primary air fan vibration trend in adjustable vane opening 60%

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。

5 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。

（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（1974），男，貴州遵義人，技師。