撓性多級離心泵初生汽蝕的診斷研究

王家前，朱 贏，馬孝良

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

以德國凱士比泵閥集團（KSB）生產的RHM100-205.12臥式多級離心泵作為研究對象，該泵為國內多個核電站所作為上充泵采用，為核安全二級設備。按核電設計及安全需求，其水力性能上需要滿足多個工況點，過流部件采用2種水力模型組合的設計方案；其機械性能上的顯著特征則體現在泵的轉子屬于細長撓性轉子，運行時會存在撓性變形。總的來說，上充泵的水利性能和機械性能所具備的特征，對于研究撓性多級離心泵的汽蝕故障具有典型的代表性。

1 初生汽蝕的診斷分析

1.1 頻譜分析

當汽蝕現象發生時，泵內將形成接近完全真空的凹坑，并迅速地崩塌或內裂，形成爆破式的沖擊，從而激起葉輪及其附近零件的局部自激頻率，通常稱為葉輪激振。這種爆破式的沖擊力幾乎可能出現在整個泵及相連管道的任何位置，造成非常隨機的振動幅值和頻率。上充泵額定轉速4657 r/min，葉輪共12級，首級葉輪5葉片，次級至末級葉輪均為7葉片。據此計算葉輪通過頻率（Lp），首級葉輪通過頻率（L1）為390 Hz，次級至末級葉輪通過頻率（L2）為546 Hz。在頻譜診斷中發現546 Hz的葉輪通過頻率尖峰，伴隨隨機寬帶能量與葉片通過頻率的疊加，這是典型的汽蝕頻譜特征。

發現經典的汽蝕頻譜特征，并結合噪聲的變化，可以診斷簡單離心泵的汽蝕故障，但對于撓性多級離心泵而言則不夠充分。以RHM100-205.12臥式多級離心泵為例，筆者對多個機組共12臺設備先后進行了5 a的定期監測與分析，很多未發生汽蝕的設備也有同類頻譜特征。但這一特征清楚地指向了激振力來源是葉輪激振。葉輪激振來源于水力部件損壞或葉輪中心位置與泵殼中心位置的偏移。

葉輪按設計中心位置運行時，最穩定，激振力最小，偏離中心，流體激振力增大。上充泵轉子屬于細長撓性轉子，運行時會存在撓性變形。這就需要引入2個概念，葉片比頻率和通過頻率調制，前者反映葉片和導葉的相互作用，后者反映各級葉輪間的相互關系。為此，可將頻率采集范圍擴展到6000 Hz分析（圖1）。

撓性變形將不可避免地導致某幾級葉輪偏離中心位置的情況，從而產生響應的葉輪通過頻率。這種偏離的程度越嚴重，激振力也越大，且級和級之間存在相互影響。當各級葉輪之間的影響達到一定程度時，其振動信號產生調制。當首級葉輪和其他級葉輪相互影響時，特征頻率表 現 為 L1×7=390×7=2730 Hz；當次級到末級的葉輪相互影響時，特征頻率表現為Lp×7=546×7=3822 Hz。撓性變形不僅影響葉輪激振的程度，葉輪的偏離還會帶來多級水導石墨軸承的磨損。

圖1 驅動端垂直向（10～6000）Hz頻譜

1.2 水力性能分析

首先需要檢查泵的流量揚程曲線，保證設備是符合設計要求的。對于多流量工況多臺泵并聯運行這類使用條件較為復雜的泵，通過一系列不同運行方式下的流量試驗，測算泵的工作點如圖2所示，越偏離出三角形范圍說明泵的工作條件越差。

1.3 輔助分析

圖2 組合工況下泵的工作點

汽蝕總是在某個流量下呈現出較大的振動，觀察振動幅值隨流量的變化特征是汽蝕診斷的重要依據。進入全流量模式下時，振動幅值一定會有大幅度的增加。此時調高入口壓力，可觀察到振動降低。當流量增大而頻譜上Lp分量下降時，通常在泵的進出口管道上會發現較高的振動，這是因為泵在較高的流量能力下工作，而管道出現了局部缺乏流體的現象。

汽蝕會產生特有的噪聲，初生汽蝕發出的聲音像是泵壓過細密的砂子一般。當聽到這類汽蝕噪聲時，分析人員再發現振動頻譜中高頻隨機成分增加，可以大大提高診斷的準確性。

2 汽蝕同期故障的診斷分析

汽蝕發生時可能使得某些其他故障特征被改變、掩蓋或加強，導致診斷分析出現漏診或誤診，以及對汽蝕程度的錯誤估計。對于采用振動尖峰能量技術（gSE）診斷軸承故障而言，汽蝕發生時將造成2個軸承的gSE增大，這是正常的振動機理，但有可能掩蓋真正的軸承故障，這時采用對數坐標識別可以有效增加辨識準確性。當只有一個軸承的gSE值增大時，則指向該軸承有潤滑或者磨損故障。

當轉子或支承結構的自振頻率與葉片通過頻率重合時，會產生較大的振動。通過自激振動試驗，RHM驅動端的固有頻率通常分布在（500～600）Hz。次級至末級葉輪的葉片通過頻率546 Hz正在這一區間，當兩者較為接近時，振動會明顯增大。要有效避開共振峰，通常需要將固有頻率調整到546 Hz±10%以外的范圍。

撓性泵軸在運行中產生的撓性形變會增加碰磨的發生概率和程度，就需要在設計上允許特定位置發生一定程度的磨損，通常采用由石墨環組成的導葉襯套作為可更換部件。在汽蝕故障下，葉片通過頻率明顯增大，則指向葉輪口環間隙異常、葉輪與導葉碰磨、葉輪磨壓環卡軸等。

3 結論

典型汽蝕頻譜特征的識別，不足以判定撓性多級離心泵發生汽蝕，而是描述了水力部件的激振模式，需要進一步通過高頻寬帶分量與葉片通過頻率尖峰的關系及隨著流量的變化來判別。各級葉輪激振頻率間的調制關系，可對轉子撓性變形、葉輪偏離中心的程度進行估計。經驗證符合汽蝕性能設計的泵，通過流量三角形測算能夠幫助估計汽蝕發生的嚴重程度。進一步通過流量、壓力、噪聲等輔助分析，可形成一套行之有效的分析方案，大大提高診斷的準確性。利用汽蝕同期故障的診斷分析方法可進一步分析伴隨的其他故障和估計汽蝕的危害程度。

［1］Cudina M.Detection of cavitation phenomena in a centrifugal pump using audible sound［J］.Mechanical System and Signal Processing，2003，17（6）：1335-1347.