孫 奇 于忠斌 趙世全

(1.東方汽輪機有限公司，四川 618000;2.海裝重慶局，重慶 400042)

汽輪給水泵機組是艦艇動力循環(huán)中的重要設備，也是機艙主要的振動噪聲源之一。隨著人們對降低振動噪聲的要求越來越高，對汽輪給水泵機組開展減振降噪設計勢在必行。本文所述汽輪給水泵機組由汽輪機、給水泵和公共底座等組成，其中汽輪機與水泵通過主軸連接，而公共機座是充滿油的箱體。根據(jù)一般工程經驗和已有研究結論，此類機組的振動與噪聲問題較為復雜，不僅汽輪機與給水泵內部的旋轉部件及其支撐部件、殼體結構等會產生振動與噪聲，與機組連接的進排汽管路、疏水管路、進出水管路、油管路等內部流體流動產生的激勵均可能成為機組振動與噪聲的來源。因此，此類動力設備的減振降噪設計非常困難，要達到理想的減振降噪效果必須從設計源頭對振動噪聲進行控制，在傳播途徑中采取各種阻尼隔振，并對加工和裝配工藝過程進行嚴格控制。

1 激振源分析

汽輪給水泵機組是高轉速、高流量、高揚程泵類設備，激振源主要來自機組轉動部件旋轉不平衡、水泵內流體的壓力脈動、流體不穩(wěn)定流動、齒輪嚙合、周期性的沖擊等引起的激振力［1］。

(1)給水泵泵內流動復雜，離心泵工作時，水流由葉輪葉片的外端經過泵殼舌部附近會產生水力沖擊，產生壓力脈動，流體反作用于泵葉會產生較強的葉頻振動;

(2)水泵的流體在級間流動，由于流道不均勻、表面不光滑、轉向、擴壓等都會引起水泵振動;

(3)雖然轉子經過高速動平衡，但不可能完全消除不平衡量，在運行過程中會對軸承產生激振力，從而會引起機組的振動，該振動體現(xiàn)為軸頻及其倍頻;

(4)汽輪機轉子通過減速器帶動齒輪油泵，雖然減速齒輪采用高精度齒輪，但由于齒輪嚙合仍會產生嚙合頻率下的振動噪音;

(5)減速器滾動軸承轉動時由于間隙的存在，保持架和滾珠轉動時會產生振動噪音;

(6)汽輪機葉片受到周期性的氣流激振力。一是靜葉尾跡激力，由于靜葉出口邊有一定的厚度，致使出口高速汽流對動葉產生周期性高頻激振力。二是部分進汽級激振力，由于汽輪機噴嘴存在部分進汽，動葉轉過此區(qū)域前后將在葉片上產生周期性的低頻交變力;

(7)軸承油膜失穩(wěn)會引起振動。軸承油膜受轉子分頻激振力作用產生渦動，進一步發(fā)展成為突發(fā)性的強烈振動，易造成轉子和軸承的嚴重破壞。油膜失穩(wěn)導致振動的典型特征是振動頻率略低于轉子工頻的一半，即所謂的半頻振動，且具有突發(fā)性和間歇性;

(8)汽輪機葉輪兩端采用油潤滑軸承支撐，水泵側由水潤滑軸承支撐，軸系為三支撐。如果各軸承標高不在設計要求范圍內，轉子負荷的分配就不合理。油軸承負荷輕的一邊軸瓦內油膜形成不好或根本就無法形成油膜，這樣就會誘發(fā)機組的自激振動、油膜振動等。而負荷重的一邊，軸瓦溫度升高，產生過熱現(xiàn)象，油膜形成不好，也容易引起機組振動。水軸承由于負荷分配不合理，不易形成水膜，容易產生磨損，引起機組振動。軸承安裝中頂隙等不當也會引起振動;

(9)機組內部及外部接口管路復雜，管道內的流體流動會由于管系的轉彎、變徑、分支、合并及閥門節(jié)流，在管道內部產生較強的紊流，甚至會產生空化，會對管路產生較強的激振力。如果與管路的固有頻率接近，就會激起管路系統(tǒng)產生較強的振動。外部管系振動對機組影響也較大，雖然與機組通過波紋管或橡膠軟管進行撓性連接，但由于波紋管和橡膠軟管仍有較大的剛度，管系的振動仍會傳遞到機組，對機組的振動產生一定影響。

2 噪聲源分析

(1)機械噪聲

機械噪聲是由于機械系統(tǒng)受迫振動和固有振動引起的。聲波是機械振動的傳播過程，實際發(fā)生的噪聲歸根結底是由于振動源的強烈振動所造成的。因此，機械部件之間的交變力引起的振動，進而產生噪聲。這些力的傳遞和作用可分為撞擊力、周期性作用力和摩擦力。汽輪給水泵機組是受到上述幾種力的同時作用。

(2)管道和閥門的噪聲

1)管道中的流體由于汽蝕、湍流和摩擦激發(fā)的壓力擾動會激發(fā)噪聲，尤其當湍流流過管道中具有不規(guī)則形狀的元件和不光滑表面時，會進一步激發(fā)噪聲;

2)管道發(fā)生共振時激發(fā)的強噪聲;

3)管道有水錘現(xiàn)象時，產生的類似撞擊的聲音;

4)管道的開口、匯合和分支等處產生的強紊流場激勵的噪聲;

5)閥門節(jié)流引起的強湍流，甚至產生空化，會導致強噪聲產生。

通過以上分析可知，機組主要的激振源見表1。

3 減振降噪控制措施

降低給水泵的振動噪聲，主要從振源控制措施方面著手，并在傳遞途徑上采取措施進行減振，綜合運用減振、隔振等多種主動、被動方法來達到降低噪聲的目的。

表1 主要激振頻率(n 為轉速)Table 1 Main vibration frequencies(n is rotary speed)

3.1 給水泵減振降噪控制措施

該機組振動和空氣噪聲指標要求嚴，因此在設計時從給水泵整體結構、水力設計、部件匹配、軸系和軸承、機架隔振等多方面進行了考慮，以降低給水泵的振動和噪聲。

(1)采用多級葉輪，降低葉輪圓周線速度。

(2)優(yōu)化過流部件

1)在水力模型的選取過程中，采用CFD 仿真計算和傳統(tǒng)一維設計相結合的方法對泵的性能及壓力分布進行分析，并進行全尺寸的水力模型試驗，提高該水力模型的效率，降低出現(xiàn)氣蝕的可能性;

此外，我國疆土東西跨度大，南北迥異，地質條件復雜多變，且不同的地質構造單元中地殼物質組成差異較大，導致不同的城市地下管線鋪設方法差異較大，鋪設深度和管線材質選用方面，都使得在探測過程中應該根據(jù)管線材質及用途來選擇(表1)。因此，在不同的城市探測地下管線時，應結合當?shù)氐叵鹿芫€的材質的探測技術，才能取得較好探測結果。

2)吸入室采用吸入錐管，在錐管內布置導流柵板，保證液流均勻穩(wěn)定進入葉輪;

3)壓出室為雙螺旋蝸殼，既可以平衡泵在各個工況下的徑向力，又可以保證泵流動和結構的對稱，減小不平衡力;

4)葉輪口環(huán)采用簡單的環(huán)形密封，并取較大的間隙，防止泵轉子撓動時產生不平衡水力激振力。

(3)將水泵各級葉片錯開一定的相位，確保各級隔舌處湍動能不會同時達到最大值，從根本上抑制振動的產生。

(4)為避開共振頻率，提高接觸剛度，水泵結構采用剖分式渦殼，改善機組總體特性。

(5)提高工藝控制，常規(guī)鑄造方法使葉片分度和葉片形狀產生較大誤差，影響了過流部件的水力性能。在水力部件匹配優(yōu)化設計的基礎上進行精密鑄造可以有效降低鑄造尺寸誤差［2］，并使過流表面光滑程度提高，重點控制葉片分度精度。如果能采取銑制加工泵輪，提高加工精度和表面光潔度，對減振降噪更為有利。

(6)振動傳遞途徑控制措施，通過采用阻尼材料設計泵機架，在保證機組功能的前提下，減小水泵振動向機組機腳傳遞。

(7)進行機架、泵體、吸入室、泵輪等主要部件的優(yōu)化設計和模態(tài)分析，避開共振頻率。

3.2 汽輪機減振減噪控制措施

(1)增加汽輪機噴嘴后的壓力，降低噴嘴后的汽流速度，減小汽流的空氣噪音。

(2)汽輪機和給水泵共用一根主軸，減少安裝環(huán)節(jié)引起附加不平衡量。

(3)轉子設有現(xiàn)場動平衡用螺孔。

(4)盡可能縮短軸承跨距，增加轉子剛度，減小轉子的動態(tài)響應。

(5)減速傳動機構采用平行齒輪方案，設在轉子端部，可提高加工精度，降低對軸系的擾動，減小振動噪聲源。

(6)齒輪油泵采用內嚙合齒輪泵。相同排量下，與外嚙合齒輪泵相比，內嚙合齒輪泵內外轉子同向轉動，齒輪間重疊系數(shù)大，產生的噪音小，磨損少，壽命長。同時，內嚙合齒輪泵幾乎不會產生困油現(xiàn)象，加上吸油腔進口面積大，不會引起氣蝕現(xiàn)象，流量和壓力脈動較小，所以運轉平穩(wěn)，振動噪音小。并且較外嚙合齒輪泵體積小，重量輕，維護方便。

(7)齒輪油泵與減速傳動機構之間采用撓性連接，減弱主油泵的振動對減速傳動機構和機組轉子的影響。

(8)對汽缸、軸承箱、公共底座、撓性板進行剛性分析，保證機組熱膨脹順暢，同時增加機組剛性，減小機組軸系在運行過程中標高變化引起的振動噪聲。并使公共底座等主要部件的固有頻率有效地避開機組轉子轉動的頻率范圍，見圖1。

圖1 公共底座(有油時)的1 階振型Figure 1 1st phase vibration model of common base(oil feeding)

3.3 機組其它部分的減振減噪控制措施

3.3.1 采用NOPD(非阻塞性微顆粒阻尼)減振技術

NOPD 技術是在振動結構能量傳輸通道的某些部位設計加工成一組小孔或蜂窩狀結構，并在小孔或蜂窩空腔內填充適量狀如某些類型的微顆粒(粉體)，使之處于非阻塞狀態(tài)(從而成非連續(xù)介質特性)。這樣一種復合結構可以對某些實體結構的模態(tài)產生較大的能耗能量，進而隔離振動傳遞，見圖2。其突出優(yōu)點為:

(1)不增加結構的總體質量，有利于實現(xiàn)輕量化;

(2)不須改變結構部件的總體外形設計;

(3)增加的阻尼效果明顯;

(4)阻尼特性基本不受環(huán)境條件的影響，性能穩(wěn)定，不老化。

圖2 前軸承箱支撐機座NOPD 減振Figure 2 NOPD vibration reduction of the front bearing box supporting base

為了使該技術達到良好的效果，需要研究的內容是分析研究打孔的位置、打孔的數(shù)量、粉體材料特性及粉體的填充等，并對強度進行校核。

NOPD 減振頻帶很寬，在中、高頻段效果尤為突出，通常能將系統(tǒng)的模態(tài)阻尼提高1～2 個數(shù)量級。

在該汽輪給水泵機組的主油泵安裝機座、前軸承箱的支撐機座、后軸承座上均采用了NOPD減振技術。

3.3.2 豆包阻尼(BBD)減振技術

豆包阻尼(BBD)技術與NOPD 技術一樣，也是基于大量實驗的基礎之上的減振技術，是在約束層內填充一定直徑的顆粒，通過碰撞、摩擦耗能，因此多種因素都會對BBD 的實施效果產生影響，包括顆粒直徑、激振力、豆包剛度(柔性約束比剛性約束更有利于顆粒介質耗能)、顆粒間隙。

在工程中應用時應注意的幾個問題:

(1)對阻尼較大的主振動系統(tǒng)，豆包設計應取較大質量和較大直徑的顆粒以增加豆包沖擊阻尼的動量交換作用，提高其減振效果;

(2)主振動系統(tǒng)屬于高頻振動時，豆包設計應取相對較小的間隙，即緊豆包;若以低頻為主，則取相對較大的間隙，即松豆包;

(3)豆包質量應盡可能設置在主系統(tǒng)振動最大處;

(4)以上因素都會對BBD 的減振效果有直接或者間接的影響，但通過實驗證明它們之間相互制約，在不同的情況下影響的權重是不同的，因此在實施中需分情況對待。

在前軸承箱、后軸承箱和油箱側壁均可采取BBD 減振技術。

圖3 為豆包安裝示意圖，該方法安裝拆卸方便，調節(jié)能力強。

圖3 豆包安裝示意圖Figure 3 Mounting digram of BBD

圖4 后軸承箱基座盒式減振器Figure 4 Case type vibration isolator of rear bearing box base

3.3.3 盒式減振機理概述

盒式減振器的機理在于摩擦與沖擊耗能，而本方案在盒中的每個腔體內部放入豆包，這樣就相當于多個豆包的耗能水平之和，且對機組的結構沒有改變，如圖4 所示。在機組振動時，位于振動傳遞路徑的盒式減振器通過盒體內的豆包中顆粒之間、豆包與腔體的摩擦與碰撞，達到耗能的目的。

3.3.4 金屬橡膠隔振技術

針對汽輪給水泵機組中脈動沖擊較大的汽水管路和油管路，利用金屬橡膠隔振器支架代替金屬固定支架。金屬橡膠采用金屬相互勾連，然后沖壓成型，具有橡膠材料的阻尼特性。金屬橡膠隔振器的材料需耐高溫、耐濕度、耐腐蝕，還應具有壽命長及韌性好等特點，一般選用鎳鉻鈦合金。金屬橡膠隔振器的安裝方式見圖5 所示。

圖5 金屬橡膠隔振器安裝方式Figure 5 Mounting method of metal similar to rubber vibration isolator

4 結論

汽輪給水泵機組的振動與噪聲問題較為復雜，激勵源多。必須認真分析各類激振源，從設計源頭對振動噪聲進行控制，同時在傳播途徑中采取阻尼隔振，并對加工和裝配工藝過程進行嚴格控制，采取綜合的振動噪聲控制措施才能達到理想的減振降噪效果。

［1］吳英友，趙耀，陳烔.汽輪給水泵機組振動頻率特性分析.中國艦船研究，2006(12):90-93.

［2］孫衛(wèi)平，李兵，馮彥華，龔衛(wèi)鋒.艦船用泵技術研究.上海造船，2011(2):47-49.