王家前，朱 贏(yíng)，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(guó)凱士比泵閥集團(tuán)（KSB）生產(chǎn)的RHM100-205.12臥式多級(jí)離心泵作為研究對(duì)象，該泵為國(guó)內(nèi)多個(gè)核電站所作為上充泵采用，為核安全二級(jí)設(shè)備。按核電設(shè)計(jì)及安全需求，其水力性能上需要滿(mǎn)足多個(gè)工況點(diǎn)，過(guò)流部件采用2種水力模型組合的設(shè)計(jì)方案；其機(jī)械性能上的顯著特征則體現(xiàn)在泵的轉(zhuǎn)子屬于細(xì)長(zhǎng)撓性轉(zhuǎn)子，運(yùn)行時(shí)會(huì)存在撓性變形?？偟膩?lái)說(shuō)，上充泵的水利性能和機(jī)械性能所具備的特征，對(duì)于研究撓性多級(jí)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(dāng)汽蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，泵內(nèi)將形成接近完全真空的凹坑，并迅速地崩塌或內(nèi)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(chēng)為葉輪激振。這種爆破式的沖擊力幾乎可能出現(xiàn)在整個(gè)泵及相連管道的任何位置，造成非常隨機(jī)的振動(dòng)幅值和頻率。上充泵額定轉(zhuǎn)速4657 r/min，葉輪共12級(jí)，首級(jí)葉輪5葉片，次級(jí)至末級(jí)葉輪均為7葉片。據(jù)此計(jì)算葉輪通過(guò)頻率（Lp），首級(jí)葉輪通過(guò)頻率（L1）為390 Hz，次級(jí)至末級(jí)葉輪通過(guò)頻率（L2）為546 Hz。在頻譜診斷中發(fā)現(xiàn)546 Hz的葉輪通過(guò)頻率尖峰，伴隨隨機(jī)寬帶能量與葉片通過(guò)頻率的疊加，這是典型的汽蝕頻譜特征。

發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的汽蝕頻譜特征，并結(jié)合噪聲的變化，可以診斷簡(jiǎn)單離心泵的汽蝕故障，但對(duì)于撓性多級(jí)離心泵而言則不夠充分。以RHM100-205.12臥式多級(jí)離心泵為例，筆者對(duì)多個(gè)機(jī)組共12臺(tái)設(shè)備先后進(jìn)行了5 a的定期監(jiān)測(cè)與分析，很多未發(fā)生汽蝕的設(shè)備也有同類(lèi)頻譜特征。但這一特征清楚地指向了激振力來(lái)源是葉輪激振。葉輪激振來(lái)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(shè)計(jì)中心位置運(yùn)行時(shí)，最穩(wěn)定，激振力最小，偏離中心，流體激振力增大。上充泵轉(zhuǎn)子屬于細(xì)長(zhǎng)撓性轉(zhuǎn)子，運(yùn)行時(shí)會(huì)存在撓性變形。這就需要引入2個(gè)概念，葉片比頻率和通過(guò)頻率調(diào)制，前者反映葉片和導(dǎo)葉的相互作用，后者反映各級(jí)葉輪間的相互關(guān)系。為此，可將頻率采集范圍擴(kuò)展到6000 Hz分析（圖1）。

撓性變形將不可避免地導(dǎo)致某幾級(jí)葉輪偏離中心位置的情況，從而產(chǎn)生響應(yīng)的葉輪通過(guò)頻率。這種偏離的程度越嚴(yán)重，激振力也越大，且級(jí)和級(jí)之間存在相互影響。當(dāng)各級(jí)葉輪之間的影響達(dá)到一定程度時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)首級(jí)葉輪和其他級(jí)葉輪相互影響時(shí)，特征頻率表 現(xiàn) 為 L1×7=390×7=2730 Hz；當(dāng)次級(jí)到末級(jí)的葉輪相互影響時(shí)，特征頻率表現(xiàn)為L(zhǎng)p×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(huì)帶來(lái)多級(jí)水導(dǎo)石墨軸承的磨損。

圖1 驅(qū)動(dòng)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(yáng)程曲線(xiàn)，保證設(shè)備是符合設(shè)計(jì)要求的。對(duì)于多流量工況多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行這類(lèi)使用條件較為復(fù)雜的泵，通過(guò)一系列不同運(yùn)行方式下的流量試驗(yàn)，測(cè)算泵的工作點(diǎn)如圖2所示，越偏離出三角形范圍說(shuō)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(diǎn)

汽蝕總是在某個(gè)流量下呈現(xiàn)出較大的振動(dòng)，觀(guān)察振動(dòng)幅值隨流量的變化特征是汽蝕診斷的重要依據(jù)。進(jìn)入全流量模式下時(shí)，振動(dòng)幅值一定會(huì)有大幅度的增加。此時(shí)調(diào)高入口壓力，可觀(guān)察到振動(dòng)降低。當(dāng)流量增大而頻譜上Lp分量下降時(shí)，通常在泵的進(jìn)出口管道上會(huì)發(fā)現(xiàn)較高的振動(dòng)，這是因?yàn)楸迷谳^高的流量能力下工作，而管道出現(xiàn)了局部缺乏流體的現(xiàn)象。

汽蝕會(huì)產(chǎn)生特有的噪聲，初生汽蝕發(fā)出的聲音像是泵壓過(guò)細(xì)密的砂子一般。當(dāng)聽(tīng)到這類(lèi)汽蝕噪聲時(shí)，分析人員再發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻譜中高頻隨機(jī)成分增加，可以大大提高診斷的準(zhǔn)確性。

2 汽蝕同期故障的診斷分析

汽蝕發(fā)生時(shí)可能使得某些其他故障特征被改變、掩蓋或加強(qiáng)，導(dǎo)致診斷分析出現(xiàn)漏診或誤診，以及對(duì)汽蝕程度的錯(cuò)誤估計(jì)。對(duì)于采用振動(dòng)尖峰能量技術(shù)（gSE）診斷軸承故障而言，汽蝕發(fā)生時(shí)將造成2個(gè)軸承的gSE增大，這是正常的振動(dòng)機(jī)理，但有可能掩蓋真正的軸承故障，這時(shí)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)識(shí)別可以有效增加辨識(shí)準(zhǔn)確性。當(dāng)只有一個(gè)軸承的gSE值增大時(shí)，則指向該軸承有潤(rùn)滑或者磨損故障。

當(dāng)轉(zhuǎn)子或支承結(jié)構(gòu)的自振頻率與葉片通過(guò)頻率重合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。通過(guò)自激振動(dòng)試驗(yàn)，RHM驅(qū)動(dòng)端的固有頻率通常分布在（500～600）Hz。次級(jí)至末級(jí)葉輪的葉片通過(guò)頻率546 Hz正在這一區(qū)間，當(dāng)兩者較為接近時(shí)，振動(dòng)會(huì)明顯增大。要有效避開(kāi)共振峰，通常需要將固有頻率調(diào)整到546 Hz±10%以外的范圍。

撓性泵軸在運(yùn)行中產(chǎn)生的撓性形變會(huì)增加碰磨的發(fā)生概率和程度，就需要在設(shè)計(jì)上允許特定位置發(fā)生一定程度的磨損，通常采用由石墨環(huán)組成的導(dǎo)葉襯套作為可更換部件。在汽蝕故障下，葉片通過(guò)頻率明顯增大，則指向葉輪口環(huán)間隙異常、葉輪與導(dǎo)葉碰磨、葉輪磨壓環(huán)卡軸等。

3 結(jié)論

典型汽蝕頻譜特征的識(shí)別，不足以判定撓性多級(jí)離心泵發(fā)生汽蝕，而是描述了水力部件的激振模式，需要進(jìn)一步通過(guò)高頻寬帶分量與葉片通過(guò)頻率尖峰的關(guān)系及隨著流量的變化來(lái)判別。各級(jí)葉輪激振頻率間的調(diào)制關(guān)系，可對(duì)轉(zhuǎn)子撓性變形、葉輪偏離中心的程度進(jìn)行估計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證符合汽蝕性能設(shè)計(jì)的泵，通過(guò)流量三角形測(cè)算能夠幫助估計(jì)汽蝕發(fā)生的嚴(yán)重程度。進(jìn)一步通過(guò)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(zhǔn)確性。利用汽蝕同期故障的診斷分析方法可進(jìn)一步分析伴隨的其他故障和估計(jì)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.