離心泵的振動(dòng)分析及預(yù)防措施

賈魯男++馬雪峰

摘要：振動(dòng)故障是離心泵常見故障之一。受驅(qū)動(dòng)電機(jī)、泵內(nèi)流體和管道的影響，振動(dòng)的發(fā)生往往伴隨多重因素的疊加和多種原因的共同作用。本文就離心泵的振動(dòng)分析及預(yù)防措施進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：離心泵；振動(dòng)；措施

一、介質(zhì)流量

（一）典型現(xiàn)象

泵在設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)不超標(biāo)，隨著流量的大幅降低或提高，泵的兩端軸承及出口管線振動(dòng)強(qiáng)烈。泵體內(nèi)會發(fā)出往復(fù)機(jī)似的噪音。流量正常時(shí)，振動(dòng)和噪音也恢復(fù)正常。

泵體，尤其是內(nèi)側(cè)軸承座水平方向的振動(dòng)明顯大于垂直和軸向振動(dòng)的增大值。長時(shí)間運(yùn)行，泵內(nèi)葉輪、平衡盤、級間襯套、中段等會磨損。對單級雙吸泵，軸向的高頻振動(dòng)使軸承損壞、葉輪口環(huán)成對稱偏磨，泵體口環(huán)偏磨，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致軸承斷裂。

（二）原因分析

任何一臺離心泵都有一個(gè)最佳工作范圍，體現(xiàn)在泵的性能曲線上。

離心泵的振動(dòng)隨流量而變化，通常在最佳效率點(diǎn)流量附近其值最小，并且隨著流量的增大或減小而增加。從最佳效率點(diǎn)流量起，振動(dòng)隨流量的變化取決于泵的能量密度、比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速。通常，振動(dòng)的變化量隨能量密度、比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速的增加而增加。離心泵除了有在性能曲線上標(biāo)注的最小連續(xù)流量外，還有一個(gè)最小連續(xù)熱流量。泵在小流量條件下運(yùn)行時(shí)，部分液體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽惯M(jìn)口處液體的溫度升高，當(dāng)液體溫度使有效汽蝕余量等于或小于泵必須汽蝕余量時(shí)，就會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

在正常流量下，泵本身的自動(dòng)平衡盤能很好平衡轉(zhuǎn)子軸向力。但流量過低時(shí)，由于軸向力的增大，自動(dòng)平衡盤就不能將轉(zhuǎn)子的軸向力平衡掉，使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)指向葉輪入口方向的軸向作用力，造成轉(zhuǎn)子向前竄動(dòng)，轉(zhuǎn)子、平衡盤等部件嚴(yán)重磨損。軸向介質(zhì)的入口沖角與轉(zhuǎn)子葉片的安裝角偏差較大，也會產(chǎn)生沖擊，引起強(qiáng)振。

對單級雙吸泵，當(dāng)實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，泵體內(nèi)蝸殼的流道截面積顯得過大，使流體流動(dòng)速度減小，葉輪出口的絕對速度增加，且方向發(fā)生改變。這樣，蝸殼內(nèi)的液體與葉輪出口的液體相遇時(shí)，因速度大小和方向不同而產(chǎn)生撞擊，使得蝸殼內(nèi)液體壓力不斷增高，從而破壞了蝸殼內(nèi)液體流動(dòng)壓力的軸對稱性。此外，由于蝸殼內(nèi)壓力分布不均勻，殼內(nèi)流體對流出葉輪的流體所起的阻礙作用也不同，使得沿葉輪四周的液體給葉輪的力和方向也不同，引起偏振。

（三）解決方案

泵的運(yùn)行應(yīng)處于優(yōu)先工作區(qū)。此工作區(qū)位于所提供葉輪的最佳效率點(diǎn)流量的70%～120%區(qū)間內(nèi)。額定流量點(diǎn)應(yīng)當(dāng)位于所提供葉輪最佳效率點(diǎn)流量的80%～110%區(qū)間內(nèi)。

如果無法避免小流量操作工況，可從泵出口引一條最小回流線，到泵入口的容器內(nèi)。如果是飽和態(tài)液體，應(yīng)注意返回線不可直接接到泵的入口處，以免過熱的出口介質(zhì)加熱入口介質(zhì)，引起汽蝕。但回流的介質(zhì)使泵做了無用功，增加了裝置能耗。

也可以在保持蝸殼不變的情況下，通過改變?nèi)~輪參數(shù)來改變泵的輸出流量。通過對葉輪的進(jìn)出口角度進(jìn)行修改，可減小作用在葉輪上的徑向力，減小振動(dòng)。

二、液體停留時(shí)間

（一）典型現(xiàn)象

容器內(nèi)壓力和液位都很穩(wěn)定，但泵內(nèi)有噼噼啪啪的聲音，泵體振幅大。隨著流量的增大，泵入口壓力有下降趨勢，直到泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。該現(xiàn)象多發(fā)生在泵入口容器有氣液兩相物流進(jìn)入時(shí)。

（二）原因分析

氣液兩相流進(jìn)入容器時(shí)，都需要一個(gè)分離時(shí)間，才能使氣體從液體中徹底分離出來。液體的停留時(shí)間，通常大于1min。如果液面比較低，當(dāng)物流直接對準(zhǔn)出口破沫器沖下，會形成物流短路，造成局部物流的停留時(shí)間縮短。如果停留時(shí)間不夠，則氣泡來不及從液體中逃逸，會隨液體一起進(jìn)入泵腔。隨著流速的增加，裹夾的氣泡量增加，管路系統(tǒng)壓力降增加。當(dāng)泵入口壓力低到飽和蒸氣壓時(shí)，會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

當(dāng)容器內(nèi)液位高于兩相流體的入口管時(shí)，沖入的流體對容器內(nèi)液體起了攪拌混合作用，形成泡沫，造成假液位，通常看到玻璃板液位計(jì)的液面很穩(wěn)定，但實(shí)際上泡沫層已經(jīng)很高。這種現(xiàn)象多發(fā)生在易起泡的體系。

（三）解決方案

提高容器的液面高度，增加停留時(shí)間，通常是有效的解決方案。在兩相流入口增加導(dǎo)流器，可以提高氣液分離的效率，減少氣泡夾帶，同時(shí)避免流體直接對容器出口破沫器沖擊，也可以避免該現(xiàn)象的發(fā)生。操作時(shí)應(yīng)避免容器內(nèi)液位超過兩相流入口管的下部。

三、葉 輪

（一）典型現(xiàn)象

在帶負(fù)荷試車時(shí)，無論是小流量工況還是滿負(fù)荷運(yùn)行，泵的進(jìn)出口管線均表現(xiàn)很大的振動(dòng)。振動(dòng)為時(shí)大時(shí)小，呈間歇性。泵的進(jìn)出口管線壓力表和出口流量表指針擺幅大。通過聽棒聽到的管道中流體聲不均勻、不穩(wěn)定。降低揚(yáng)程，情況沒有改變。采用壓力傳感器直接對管道中的流體進(jìn)行壓力脈動(dòng)測試，可發(fā)現(xiàn)流體壓力脈動(dòng)不均勻度過高。

（二）原因分析

該振動(dòng)不是機(jī)械振動(dòng)的傳遞，而是流體壓力脈動(dòng)的結(jié)果。脈動(dòng)流遇到管線的直角彎頭時(shí)，流體對轉(zhuǎn)彎處管壁產(chǎn)生很大的力。當(dāng)流體遇到閥門或變截面管等收縮的地方，也會產(chǎn)生很大的流體沖擊力。流體壓力脈動(dòng)會引起管道中流量的脈動(dòng)變化。

流體壓力脈動(dòng)來源于泵的設(shè)計(jì)。為了降低葉片泵導(dǎo)葉上產(chǎn)生的不穩(wěn)定力，必須使葉輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉葉片數(shù)互為質(zhì)數(shù)。如果他們之間有公約數(shù)，會使流出葉輪葉道各出口點(diǎn)處的流速和壓力很不均勻，流體沖擊在導(dǎo)葉上，將產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的交變作用力。另外，葉輪出口處不均勻的流速在導(dǎo)葉上形成較嚴(yán)重的邊界層和分離漩渦，會導(dǎo)致流體流出泵以后產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。

（三）解決方案

應(yīng)對泵的轉(zhuǎn)子和靜子部件進(jìn)行改造。如改變?nèi)~輪葉片數(shù)，使葉輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉葉片數(shù)互為質(zhì)數(shù)。精心設(shè)計(jì)流道的各個(gè)部分，從根本上消除流體的壓力脈動(dòng)。另外，軸承和滾珠等部位磨損應(yīng)及時(shí)處理。

四、臨界轉(zhuǎn)速

（一）典型現(xiàn)象

多發(fā)生在多級泵上。剛投用時(shí)，泵本身的振動(dòng)幅度大。平衡盤、平衡套、密封環(huán)經(jīng)常嚴(yán)重磨損，軸彎、密封泄漏等故障經(jīng)常發(fā)生。

（二）原因分析

濕態(tài)臨界轉(zhuǎn)速與實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速接近時(shí)，泵極易產(chǎn)生共振。臨界轉(zhuǎn)速與泵軸設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。泵軸的長度過長，長徑比偏大，抗干擾能力差。在外力矩的作用下，泵軸很容易發(fā)生彎曲，導(dǎo)致口環(huán)上、下間隙不均勻，產(chǎn)生振動(dòng)。

（三）解決方案

加粗軸徑，盡量減少級數(shù)，使動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)更加合理，保證濕態(tài)臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速。泵出廠前應(yīng)在工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。

五、結(jié)束語

泵機(jī)組振動(dòng)是一個(gè)綜合性的問題，它與設(shè)備設(shè)計(jì)水平、驅(qū)動(dòng)機(jī)選型、工廠制造與測試、現(xiàn)場安裝調(diào)試、日常維修保養(yǎng)等都有很大關(guān)系。離心泵振動(dòng)控制與成因查找綜合反映了現(xiàn)場技術(shù)人員的設(shè)備維護(hù)和管理水平。實(shí)際工作中，排除振動(dòng)要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和理論分析，將振動(dòng)機(jī)理分析和實(shí)際檢測儀器得到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來。

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