某汽輪水泵機(jī)組振動偏大問題的分析與處理

徐 鵬，靳 軍，韓蘊(yùn)蕾

(1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連116005； 2.上海船舶設(shè)備研究所，上海200031；3.西門子（中國）有限公司上海分公司，上海200241)

某立式汽輪水泵機(jī)組由汽輪機(jī)、中間支座、水泵等主要部套組成，主要用來為其他用水設(shè)備提供滿足流量和壓力的工作水。汽輪機(jī)整體通過中間支座緊固于水泵殼體上法蘭，整個(gè)機(jī)組由水泵背部及中間支座底部的水平支撐法蘭與安裝基座剛性聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在其運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)在某Ⅰ工況下支座底部和泵背部的振動超過了要求值。

圖1 汽輪水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1 問題的分析及處理

對于汽輪泵組來說，一般的振動激勵源包括汽輪機(jī)通流部分的汽流激振力、軸系的動力學(xué)激振[1–2]、減速器齒輪的嚙合、水泵的水壓脈動激振[3]、機(jī)組整體與安裝基座的結(jié)構(gòu)共振[4–5]以及外部干擾[6]等。

在該機(jī)組出現(xiàn)振動超標(biāo)問題后，為了全面分析該機(jī)組振動源及提出改進(jìn)措施，進(jìn)行了3 個(gè)不同工況下的振動測試，分別記為：Ⅰ工況、Ⅱ工況和Ⅲ工況。其中，3個(gè)工況的唯一區(qū)別在于轉(zhuǎn)速不同，其大小為Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ。

Ⅰ工況下機(jī)組支座底部和泵背部的振動線譜曲線分別如圖2所示。

圖2 I工況下底部、背部振動線譜曲線

根據(jù)測試結(jié)果來看，在中高頻尤其是1 kHz～8 kHz 范圍內(nèi)汽輪機(jī)通流部分存在一定的汽流激振力，在其頻譜線圖上存在3～4 個(gè)振動峰值，因此需要進(jìn)一步改善汽輪機(jī)部分的流動特性。在低頻段范圍，從振動頻譜上可以看到在20 Hz、40 Hz以及100 Hz存在較為明顯的振動峰值，且其頻率與水泵的葉頻較為吻合，因此機(jī)組的低頻段振動應(yīng)該主要由水泵的壓力脈動引起。

Ⅱ工況下機(jī)組支座底部振動線譜曲線如圖3所示。

圖3 Ⅱ工況下底部振動線譜曲線

可以看到，Ⅱ工況下機(jī)組在頻段250 Hz～800 Hz、1.25 kHz～8 kHz的振動比較明顯。該頻段振動多以寬頻連續(xù)譜的形式體現(xiàn)，可見機(jī)組底部機(jī)腳結(jié)構(gòu)特性對振動的影響較大。可以考慮采用阻尼支座來削弱該頻段的振動幅值。在低頻段范圍，從振動頻譜上可以看到在17 Hz、25 Hz 以及42 Hz 存在較為明顯的振動峰值。其頻率與水泵的葉頻恰好吻合，因此機(jī)組的低頻段振動應(yīng)該主要由水泵的壓力脈動引起。

圖4給出了根據(jù)振動測試得到的Ⅲ工況下底部的振動線譜曲線。

圖4 Ⅲ工況下底部振動線譜曲線

由該工況下機(jī)組背部及底部振動線譜曲線可知，泵組高頻段振動超標(biāo)則主要體現(xiàn)在800 Hz～2.5 kHz 頻段內(nèi)的寬頻流體激振及8 kHz 附近的氣流激振。在低頻段范圍，在60 Hz 存在較為明顯的振動峰值。其頻率幾乎與水泵的葉頻相等，因此機(jī)組低頻段振動的主要原因?yàn)樗昧黧w激勵引發(fā)的葉頻及其倍頻振動。

綜合分析以上3個(gè)不同工況下的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組高頻振動超標(biāo)的主要原因?yàn)槠啓C(jī)葉頻及其倍頻引發(fā)的汽流激勵，低頻超標(biāo)的主要原因?yàn)楸昧黧w激勵。

針對上述的頻譜分析以及原因分析，可以考慮采取以下行之有效的改造措施：

(1)由于機(jī)組高頻振動主要由汽輪機(jī)部分產(chǎn)生，因此可以通過隔離汽輪機(jī)部分的高頻來降低整個(gè)機(jī)組的高頻振動。而汽輪機(jī)整體是通過中間支座緊固于循環(huán)水泵殼體上法蘭，所以可采取更換阻尼支座的措施來削弱超標(biāo)頻段的振動幅值，即將機(jī)組原不銹鋼中間支座更換為阻尼材料中間支座。

(2)機(jī)組低頻振動主要由水泵部分引起，因此可采用在水泵進(jìn)口增加導(dǎo)流葉柵等措施來降低超標(biāo)頻段的振動幅值。該措施的主要原理是使水泵進(jìn)口處的流體流速分布趨向均勻化，減小其壓力脈動。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 更換中間支座

為了改善機(jī)組的高頻振動，將汽輪機(jī)與水泵之間的中間支座改為阻尼中間支座。隨即進(jìn)行振動測試，測試結(jié)果表明阻尼中間支座對不同工況下高頻都有明顯效果，最多約降10分貝。

圖5至圖6給出了更換中間支座前、后在Ⅰ工況下機(jī)組背部和底部的振動線譜圖。

圖5 更換中間支座前后Ⅰ工況底部振動線譜

圖6 更換中間支座前后Ⅰ工況背部振動線譜

可以看到，在該工況下，不論是背部還是底部，高頻段振動較整改前都有明顯改善。而低頻段100 Hz 振動較為突出，其特性與初始測試結(jié)果一致，呈現(xiàn)連續(xù)譜分布。

圖7至圖8分別給出了更換中間支座前、后在Ⅱ工況下機(jī)組背部和底部的振動線譜圖。

圖7 更換中間支座前后Ⅱ工況下底部振動線譜

圖8 更換中間支座前后Ⅱ工況下背部振動線譜

與I工況類似，Ⅱ工況底部和背部高頻段振動較整改前都有明顯下降，特別是在1 600 Hz～8 000 Hz頻段。但是背部和底部低頻都有所放大，因此需要通過采取進(jìn)一步的措施來控制低頻振動。

圖9 至圖10 分別給出了更換中間支座前、后在Ⅲ工況下機(jī)組背部和底部的1/3 倍頻程圖與振動線譜圖。

圖9 更換中間支座前后Ⅲ工況下底部振動線譜

圖10 更換中間支座前后Ⅲ工況下背部振動線譜

可以看到，與工況Ⅰ、工況Ⅱ不同，機(jī)組更換中間支座對Ⅲ工況高頻段沒有起到明顯的改善效果。這可能是由于采用的阻尼材料只能吸收一定頻率范圍內(nèi)的振動，而對于更高頻率，需要采用減振性能更好的阻尼材料。

綜上所述，機(jī)組更換中間支座對于大部分工況而言，都能有效改善高頻振動。

2.2 水泵進(jìn)口增加導(dǎo)流葉柵

為了降低機(jī)組低頻振動，需要進(jìn)一步優(yōu)化泵的通流部分，減小泵的流體激勵。因此，考慮在水泵進(jìn)口增加導(dǎo)流葉柵，優(yōu)化水泵進(jìn)口流場，進(jìn)一步降低循環(huán)水泵的低頻噪聲。

表1給出了機(jī)組增加水泵進(jìn)口導(dǎo)流葉柵后的振動噪聲測試對比結(jié)果。

通過表中結(jié)果可以看出，采取水泵進(jìn)口增加導(dǎo)流葉柵的措施對于機(jī)組的低頻振動有明顯改善效果，大約能達(dá)到2 dB～3 dB的優(yōu)化效果。

3 結(jié)語

在某立式汽輪水泵機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)在某Ⅰ工況下支座底部和泵背部的振動超過了要求值。為了有效降低其振動幅值，使其滿足要求，測試了3種不同工況下機(jī)組的振動情況，并對振動源進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)該機(jī)組高頻振動超標(biāo)的主要原因?yàn)槠啓C(jī)葉頻及其倍頻引發(fā)的汽流激勵，低頻超標(biāo)的主要原因?yàn)楸昧黧w激勵。針對高頻振動，通過采取將原支座更換為阻尼支座的措施來削弱高頻段的振動幅值。針對機(jī)組低頻振動，主要通過在水泵進(jìn)口增加導(dǎo)流葉柵來改善水泵中的流動，從而減小水泵流體激勵。試驗(yàn)證明，采取的措施對于降低機(jī)組的高頻和低頻振動都起到了明顯的效果。

表1 機(jī)組增加水泵進(jìn)口導(dǎo)流葉柵后振動噪聲降低量/dB