核電三螺桿泵自激振動分析

史慶峰， 張精干， 劉斌， 時宏磊， 祝太富

(中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽314300)

0 引 言

三螺桿泵是一種先進的容積式泵，具有結構緊湊、輸送介質黏度范圍廣、液力脈動小、壽命長、平穩可靠等優點，廣泛應用于核電機組密封油系統。振動和噪聲是三螺桿泵在使用過程中的最常見問題，引起三螺桿泵振動和噪聲的常見原因有機械強迫振動、流體脈動及氣蝕、電磁振動等。三螺桿泵自帶安全閥，雖然國家標準規定了安全閥回流壓力值，但近年來，由于系統需求流量與安全閥和泵流量不匹配問題，多臺核電機組三螺桿泵在運行中出現一種自激振動。與氣蝕相比，自激振動的振動幅值和噪聲成倍增加，并伴隨系統介質流量和壓力的劇烈波動。本文通過試驗和實際案例分析三螺桿泵自激振動機理，并提出應對措施。

1 試驗分析

1.1 試驗臺

作為定排量的容積式泵，三螺桿泵經常應用于復雜運行工況。例如作為高壓備用密封油泵，既需要該泵能夠提供全部密封油的全流量運行，也需要該泵完全備用時全溢流或小流量運行。本文通過對不同螺旋升角的三螺桿泵進行流量、壓力試驗，分析泵振動和噪聲表現。試驗臺布置如圖1所示。試驗介質為64#潤滑油，選擇46°螺桿升角三螺桿泵作為被式泵，并設置安全閥壓力為1.4 MPa。出口截止閥全開，此時泵出口壓力為0.2 MPa，流量為864 L/min。逐步關閉出口截止閥，出口壓力逐步上升至1.4 MPa；繼續關閉出口截止閥至全關狀態，此時泵出口流量為0 L/min，安全閥全溢流。在此過程中，泵出口壓力較低時，存在氣蝕聲音，壓力逐步升高后，氣蝕現象消失；壓力繼續升高至安全閥溢流時，氣蝕重新出現。

將安全閥定值由1.4 MPa調低至0.8 MPa，關閉出口隔離閥，在泵安全閥全溢流狀態下，氣蝕現象始終存在。

關閉出口截止閥，出口壓力為1.4 MPa，此時快速打開出口截止閥，泵出口壓力迅速下降，在1.3 MPa時出現爆震情況并隨即消失。

將被式泵更換為42°螺旋升角的三螺桿泵，重復上述3個實驗步驟，未發現氣蝕和爆震現象。

1.2 實驗結果分析

圖1 試驗臺示意圖

三螺桿泵入口處易產生低壓區，在相同條件下，轉速越高，流量越大，泵抗氣蝕性能越弱。因此使用42°螺桿升角的三螺桿泵進行試驗時，未發現明顯氣蝕。

使用46°螺桿升角的三螺桿泵進行試驗時，可以得出如下3個試驗結果：1）在泵出口低壓低負載的條件下，泵工作過程中有明顯的汽蝕現象，伴隨明顯的噪聲和振動，逐步增加泵的出口壓力，使泵達到一定的負載壓力以后，汽蝕現象逐步削弱直至消失；2）完全關閉出口閥后，泵的全部輸出流量通過泵本體自帶安全閥溢流，泵體上部及閥體表現出劇烈的汽蝕現象，伴隨明顯的噪聲和振動；3）安全閥全溢流狀態下，快速打開出口隔離閥，出現更為短暫劇烈的爆震和異響。

針對試驗結果1），三螺桿泵低壓區含氣泡的油液順著螺桿沿軸向往泵伸軸端移動，如圖2所示。因為泵出口低負載，所以油液在經過螺桿的各級密封腔時只有緩慢微量的壓力上升，油液中的氣泡得以較為完整的保存。油液到達軸伸端高壓腔室以后，急速轉彎并通過狹窄的排出口排出，因而形成紊流且壓力明顯變化，氣泡破滅，產生汽蝕。

當出口負載增加以后，從螺桿的各級密封腔開始已經形成一定的壓力梯度，氣泡在軸向移動的過程中逐步溶解回液體，不會在出口部分集中破滅、造成汽蝕。因此出口有了一定的負載后，汽蝕現象會逐步削弱甚至消失。

針對試驗結果2），全溢流狀態下泵的出口負載壓力偏高，結合試驗結果1）的分析，出口負載壓力偏高有利于克服氣蝕，但實際表現為氣蝕更為劇烈，其主要原因為：泵的全部排出流量通過安全閥溢流，安全閥的喉徑通流能力限制，液體通過閥喉孔以后，進入泵的入口低壓區域，劇烈的壓力下降導致油液瞬間汽化形成大量的氣泡。含氣泡的油液直接進入螺桿各級密封腔，即使有梯級增加，但大量的氣泡在急速破滅，造成汽蝕。由于全溢流循環的距離很短、閥喉孔前后壓力變化劇烈、長期封閉循環也會造成油液快速的溫升，所以全溢流條件下、表現出更劇烈的汽蝕。

針對試驗結果3），泵本體安全閥閥芯的位置決定安全閥是處于開啟還是閉合的狀態，而閥芯的位置及動作方向取決于閥芯所受到的3個主要作用力的合力，如圖3所示。

圖2 三螺桿泵剖面圖

圖3 安全閥閥芯受力示意圖

安全閥全溢流情況下，安全閥全開，此時快速打開出口隔離閥，降低泵出口負載壓力，高壓腔壓力降低，隨著閥芯向高壓腔體移動，開度減小，溢流量也同步縮減。快速開啟泵出口隔離閥引起下游流量劇烈變化，此時閥芯高壓腔和低壓腔壓力均處于不穩定狀態，因此安全閥閥芯出現短暫的頻繁啟閉過程，撞擊閥座，形成比氣蝕更為劇烈的噪聲和振動，并伴隨泵出口壓力的劇烈變化。

當泵出口管線下游安裝有逆止閥或安全閥時，泵體安全閥的快速啟閉將與系統中的逆止閥或安全閥耦合，形成持續的頻繁啟閉和系統壓力的劇烈波動，導致泵產生自激振動。

2 三螺桿泵自激振動案例

某核電機組高壓備用密封油泵，是臥式交流電動機驅動的定排量三螺桿泵，電動機與泵之間通過柔性軸來連接。泵的吸入口在油箱油位下以確保連續不斷地吸油。在汽輪發電機組啟動和停機過程中，當主油泵壓力太低不能給發電機密封油系統提供高壓密封油時，該泵提供備用油源。其流程示意圖如圖4所示。

在某次大修后啟機過程中，汽機轉速升至約2500 r/min時，螺桿泵出現間歇性爆震和噪聲，同時伴隨下游管路油壓劇烈波動，波動范圍0.4～1.4 MPa左右。最終因油壓波動導致機組無法升至3000 r/min。

由于高壓備用密封油泵前期運行狀態良好，排除了該泵存在機械強迫振動的可能。在汽輪機轉速升至2500 r/min時高壓備用密封油泵表現為間歇性爆震和強烈噪聲，并伴隨下游油壓劇烈波動，由于其振動幅值、噪聲和油壓波動幅度遠大于該泵氣蝕時的振動幅值、噪聲和油壓波動幅度，懷疑該泵存在自激振動。

在機組啟機過程中，密封油由交流密封油泵提供，高壓備用密封油泵僅作為備用泵。因此高壓備用密封油泵安全閥處于全溢流狀態，同時泵下游逆止閥005VH處于開啟狀態。汽輪機轉速上升過程中，由汽輪機帶動的主油泵出口壓力逐漸增大。在2500 r/min時主油泵出口壓力達到1.19 MPa，接近備用密封油泵通過泵體安全閥設定的1.2 MPa工作壓力。當主油泵出口壓力達到高壓備用密封油泵安全閥設定壓力時，逆止閥005VH關閉。005VH的突然關閉導致高壓備用密封油泵出口壓力突然升高，現場實際出口壓力升高至1.4 MPa。出口壓力的突然升高重新頂開005VH。而005VH突然打開導致泵出口壓力驟降，使泵安全閥關閉，引起泵出口壓力升高并再次頂開下游逆止閥005VH。下游逆止閥005VH和泵安全閥相互耦合，快速頻繁開啟，導致安全閥閥芯產生自激振動并引起下游壓力劇烈波動。

在該案例中，當下游逆止閥005VH關閉時，三螺桿泵流量大，泵體安全閥全溢流情況下不能完全匹配泵流量，導致泵出口壓力升高至1.4 MPa，超過安全閥設定值1.2 MPa。三螺桿泵安全閥與下游彈簧式逆止閥耦合，形成自激振動。

圖4 高壓備用密封油泵流程示意圖

3 結 語

1）對三螺桿泵的流量試驗表明，三螺桿泵在出口低壓低負載的條件下，易產生汽蝕現象；逐步增加泵的出口壓力，使泵達到一定的負載壓力以后，汽蝕現象逐步削弱直至消失。

2）當三螺桿泵下游流量需求為0時，泵所有排出流量完全依靠泵體安全閥；若安全閥不能匹配泵排出流量，將引起泵出口壓力升高并超過安全閥設定值，并產生強烈的氣蝕現象。

3）三螺桿泵安全閥不能匹配泵排出流量時，安全閥全溢流狀態下，下游需求流量的擾動將引起三螺桿泵安全閥和下游逆止閥的耦合，形成自激振動，表現為劇烈振動和噪聲，并伴隨壓力和流量的劇烈波動。

4）根據三螺桿泵自激振動機理，對于帶安全閥的定排量容積式泵，若排出流量與安全閥不匹配，同樣會引起自激振動。

5）目前市場上的容積式泵雖然配置安全閥，但安全閥溢流量不一定能全部滿足泵流量參數。因此，在泵選型時，應確保容積式泵在滿足最高流量需求時，系統最低流量與安全閥溢流量是否能夠完全匹配泵排出流量。