核電廠循環海水泵電機共振問題快速分析

楊 璋，徐 雷，蔣彥龍，石建中

（1. 南京航空航天大學航空宇航學院，南京 210016；2. 福建寧德核電有限公司,福建 寧德355200；3. 中廣核工程設計有限公司，深圳 518057）

核電廠循環海水泵電機共振問題快速分析

楊 璋1,2，徐 雷1，蔣彥龍1，石建中3

（1. 南京航空航天大學航空宇航學院，南京 210016；2. 福建寧德核電有限公司,福建 寧德355200；3. 中廣核工程設計有限公司，深圳 518057）

研究一種計算振動系統自然頻率的簡易方法有助于現場技術人員及時分析并治理振動缺陷。結合某核電廠大型立式循環海水泵電機振動特征，利用機械振動學理論建立振動系統簡化模型，通過靜變形法計算出自然頻率為13.5Hz。電機系統在11.3Hz葉片通過頻率的流體脈動激勵力作用下發生共振故障，通過計算如增加支撐能提高系統自然頻率避開共振區，經現場實施成功處理了振動超標缺陷。該簡化模型的合理性與簡易分析方法的正確性得到驗證，為該類問題的分析與處理提供了借鑒。

立式電機；振動；靜變形法；共振

0 引言

立式泵組具有占地面積小、頂部驅動電機防水淹能力強等優點，在壓水堆核電廠應用日益廣泛，如低壓安注泵、安全殼噴淋泵、循環海水泵等。該類泵組大多采用葉輪部分布置在地坑，立式電機布置在上方樓板的固定方式，在電動機和底座之間安裝密封能將電機房間和泵房隔開。

為保證泵組運行期間維持合理的振動水平，應通過有限元模態分析、共振頻率試驗等方式獲得泵和電機以及其支承和輔助系統的固有頻率，避開泵組運行過程中主要激振力頻率，避免產生過度應力。模態分析及共振頻率測試均已是成熟技術，如傅彩明等人通過有限元仿真系統MSc. Nastran計算獲得了某大型立式電動機的前3階固有頻率及振型，提出增加轉子系統剛度，可提高電機運行的平穩性與安全性[1]；龐立軍等人通過錘擊法測得某水輪機蝶閥層壓力鋼管的固有頻率，并提出治理措施，避免結構共振問題[2]。但這兩種方法均需要專用軟件或專用測量設備支持，對人員技能水平要求高，且建模、測量工作量大。本文根據某核電廠循環海水泵電機運行中的振動狀態，結合微位移線彈性理論，提出建立簡化振動系統模型，通過計算靜力學方程獲得振動系統固有頻率的分析方法。通過該電機共振問題的分析、治理，驗證了該方法的正確性，為同類故障的分析與治理，提供借鑒。

1 循環海水泵參數簡介

國內某1000MW壓水堆核電機組配套的兩臺循環海水泵為單級立式離心泵，由電機、行星齒輪減速器、泵體組成（中間通過齒式聯軸器連接），現場布置如圖1所示。驅動電機額定功率6700kW，額定轉速993r/min，重量31950kg，布置在+5.3m的樓板上；齒輪箱轉速比5.85；水泵額定流量27.7m3/s，額定揚程19m，額定轉速180r/min。

圖1 某大型立式循環海水泵簡圖

2 振動系統簡化模型建立與計算

2.1 電機振動現象描述

調試期間發現：1、循環海水泵電機驅動端幾乎無震感；2、電機非驅動端垂直于泵出口管道的東西方向（V）振幅在3.1～8.5mm/s間劇烈波動，且整體振幅水平隨著潮位上升而同步上升；3、電機非驅動端平行于泵出口管道的南北方向（H）及平行于電機中心軸方向（A）振動合格。

2.2 簡化振動系統模型建立

結合電機安裝特點及運行中的振動幅值特征，根據機械振動學理論，將電機及支承系統簡化為坐落在彈性工字梁框架上的圓柱形剛體繞南北向（x軸向）的微幅轉角振動系統，近視為單自由度無阻尼振動系統。

電機本體通過螺栓連接固定在菱形厚底板上，厚底板的4個頂角焊接在工字梁組成的方形框架上，框架的四角通過地腳螺栓固定在鋼筋水泥基礎上，電機的上端處于自由狀態。電機本體簡化為圓柱形剛體，工字梁框架簡化為彈性元件，工字梁框架的4角簡化成鉸鏈支承，如圖2所示。

圖2 立式循環海水泵電機振動系統簡化模型

2.3 振動系統自然頻率計算

應用靜變形關系，計算電機振動系統微幅轉角振動的固有頻率。

電機繞x軸做轉角振動的無阻尼自然頻率fxn計算公式為[3]:

晚期腫瘤患者及照顧者的心理健康狀況密切相關，針對引起心理問題的不同因素采取干預措施，能有效降低照顧者的負擔，緩解晚期腫瘤患者情緒，使兩者都能以健康積極的心態面對疾病，有助于提高家庭的生活質量。

kx——電機繞x軸的轉角變形剛度，N·m/rad；

Jx——電機繞x軸的轉動慣量，kg·m2。

kx通過靜變形法由4根簡支梁的橫向彎曲變形關系導出。工字梁AC和BD的彎曲模式為簡支梁在中點承受橫向集中力F的橫向彈性彎曲；工字梁AB和CD為簡支梁在中點承受集中力偶m的橫向彈性彎曲。由簡支梁中點受集中力、集中力偶作用的撓度計算公式[4]導出式（2）～（5）：

式（2）～（5）中下標AC、BD、AB和CD分別對應圖3中梁的名稱，k為各梁的轉角變形剛度（N·m/rad），E為各梁的線彈性模量（N/m2），I為各梁的截面慣性矩（m4），L為各梁的長度（m）。

根據彈性元件等效剛度原則，框架整體轉角變形剛度等于這4根簡支梁剛度的和。由于這4根簡支梁的材料、類型、截面尺寸、長度均相同，式（2）～（5）的疊加結果為：

電機繞x軸的轉動慣量Jx為：

M——電機的總質量，kg；

D——電機的外徑，m；

根據式（1）～（7）計算出電機振動系統繞x軸做轉角振動的自然頻率為13.5Hz（見表1）。

表1 立式循環海水泵電機自然頻率計算結果

3 電機振動故障診斷及現場治理

3.1 電機振動故障診斷

對電機非驅動端垂直方向的測點進行連續振動數據采集與頻譜分析，發現通頻信號主要由11.3Hz和16.6Hz兩個分量組成；通頻值的變化主要是由11.3Hz分量導致。電機非驅動端三向振動測點的頻譜成分表見表2，均以11.3Hz分量為主。

循環水泵運行中主要的激振力有電機轉子和水泵泵軸因不可避免的殘余質量不平衡導致的離心力，齒輪沖擊力，葉片通過頻率的流體脈動壓力。經計算并考慮測量誤差，f1與水泵葉片通過頻率對應，水泵泵軸旋轉頻率為2.83Hz，葉輪葉片數為4，則葉輪葉片通過頻率為11.3Hz；f2與電機轉子的同步旋轉頻率16.6Hz（993r/min）與相對應。

表2 電機非驅動端三向振動頻譜成分信息表（mm/s）

電機振動系統繞x軸做轉角振動的自然頻率為fxn（13.5Hz），略高于f1，但避開裕度不足17%，落入共振區。

綜合上述分析，診斷電機非驅動端的劇烈振動是由于在f1處共振所致。

治理共振缺陷，可采取措施調整系統質量或系統剛度，改變系統自然頻率避開共振區間。

4 現場治理

結合電機現場布置并盡可能簡化處理以減小對工程調試進度的影響。通過理論計算，如在電機上部增設4根14號槽鋼支撐桿可以大幅提高系統自然頻率并避開共振區間。

圖3 電機振動系統簡化模型(增加支撐后)

建立簡化模型如圖3所示。每根支撐桿的轉角位移剛度k'x的計算公式[4]如式（8）。

式（8）中F為槽鋼的截面積（m2），l為槽鋼的長度（m），其他符號同前。

對應振動模型自然頻率fxn的計算公式為：

計算如增加支撐后電機系統繞xx軸做轉角振動自然頻率為52.6Hz，見表3。

表3 立式循環海水泵電機自然頻率計算結果（增加支撐后）

圖4 循環海水泵電機加裝支撐件后現場圖

重新啟泵進行振動測量，電機非驅動端振動值大幅降低，異常波動現象消失，電機振動合格[5]，治理措施取得良好效果，見表4。

該電機共振問題的分析及成功處理，驗證了該類坐落在彈性支座上剛體微幅轉角振動系統簡化模型的合理性與通過靜變形法計算其自然頻率的正確性。

表4 加裝支撐后電機非驅動端三向振動頻譜信息表（mm/s）

5 結論

該循環海水泵電機運行時，繞x軸做微幅轉角振動。電機振動簡化為單自由度無阻尼振動系統模型符合工程實際，通過靜變形法計算其自然頻率，簡單有效。在電機頂部增加固定支撐的方法能有效提高自然頻率，避開共振。坐落在彈性支座上剛體的微幅轉角振動問題可參照該方法分析、處理。

[1] 傅彩明, 毛文貴, 李建華. 大型立式電動機轉子系統模態仿真與振動實驗研究[J]. 中南大學學報（自然科學版）. 2011,42(10)：3073-3077.

[2] 龐立軍, 鐘蘇, 卜良峰, 胡建文. 混流式水輪機異常噪聲現場試驗分析[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(14)：39-43.

[3] 楊國安. 機械振動基礎[M]. 北京：中國石化出版社, 2012.

[4] S.鐵摩辛柯, J.蓋爾. 材料力學[M]. 北京：科學出版社, 1976.

[5] GB/T 6075.3-2011, 機械振動在非旋轉部件上測量評價機器的振動 第3部分：額定功率大于15kW額定轉速在120 r/min至15000r/min之間的在現場測量的工業機器[S].

審稿人：呂桂萍

The Rapid Analysis Method for Resonance Vibration of Motor for Sea-water Circumstance Pump

YANG Zhang1,2, XU Lei1, JIANG Yanlong1, SHI Jianzhong3
(1. Department of Airplane Design, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Ningde Nuclear Power Company, Ningde 355200, China; 3. China nuclear Power Design Co, .Ltd; Shenzhen 518057, China)

It is useful for technician to analyze and solve vibration default in field in time, if a simple method for calculating vibration system’s natural frequency has been found. Basing on a large size vertical motor’s vibration status and mechanical vibration theory, a simple vibration system model was established and the motor’s natural frequency was calculated to be 13.5Hz through statical forming method in nuclear power station. When the motor was running, a resonance vibration happened, because the motor system’s natural frequency was close to the pump’s blade passing frequency f4x.Through this simple model and calculation method, if a special strutting piece added on the top of the motor, its natural frequency will be increased greatly and resonance will be avoided through calculate. When the strutting piece has been fixed in field, motor’s resonance vibration phenomenon disappears and vibration status is within the limit level. This simple vibration system model and calculation method is proved correctly and simply, which can be used for analyzing and dissolving this kind of vibration question.

vertical motor; vibration; statical forming method; resonance

TM301.4+2

A

1000-3983(2016)02-0029-04

2015-03-13

楊璋（1981-），2006年畢業于浙江大學動力工程及工程熱物理專業，獲工學碩士學位。主要從事旋轉設備振動故障診斷與治理技術的研究，高級工程師。