某型离心水泵振动特性分析

2008-04-24吴英友,邢维升,朱显明等

中国舰船研究 2008年1期

关键词：截止阀离心泵开度

1 引言

离心泵是舰艇上的重要设备，广泛应用于生活用水、消防用水以及设备和轴系的冷却用水的供给，研究其振动特性，对其进行低噪声改进，降低舰艇辐射噪声有着重要的意义。

2 试验设计与数据采集

2.1 试验工况

为了掌握某型离心泵振动状态与截止阀开度的关系，进行了截止阀开度为20%、50%和100%等三个工况的试验。

2.2 离心泵振动机理

离心泵产生振动的原因包括，机组转子的旋转不平衡、轴系连接对中误差、轴承的振动、泵机内部的非定常流场压力脉动激发过流部件振动、泵机叶轮实际旋转中心与设计中心偏离导致过流部件配合变化产生的流场脉动、转动件与固定件之间的摩擦、电机的电磁振动以及电机轴带冷却风扇产生的气流脉动对机壳的激励等。

识别振动源的方法有多种[1-3]，从测试参数来讲，有振动频谱、相位谱、时域波形和声压频谱等；从信号处理方法来讲，有频谱分析方法、细化谱分析方法、包络分析、阶比谱和复合功率谱、转速谱阵与坎贝尔图、相关分析、互谱分析和声强分析、相干分析和偏相干分析等等。其中频谱分析方法是最简单的方法，因为，不同运动部件的振动产生不同特征频率，往往根据振动频谱即可识别振动源。离心泵的振动频率特性见表1。

表1 离心泵的振动频率特性

2.3 振动测点布置

振动测点应布置在产生振动的部件附近刚度较大的位置，以获得较好的信噪比，以分析振动来源。离心泵的振动测试共布置了17个测点，具体布置情况为：测点1～6位于电机机脚上；测点7、8位于泵体支撑处隔振器安装螺栓旁；测点9、10位于电机端隔振器安装螺栓旁；测点11、12位于电机顶部两端；测点13位于泵体；测点14、15位于泵的进口连接法兰上；测点16、17位于泵的出口连接法兰上。

图1 振动测点布置

3 数据分析

3.1 截止阀开度对设备振动影响的分析

通过对比截止阀开度为20%、50%和100%三个工况下，各测点5～500 Hz和500 Hz～3.2 kHz振动加速度有效值的测量数据，可以看出，在5～500 Hz各点的振动加速度有效值在截止阀开度50%工况时，约为截止阀开度20%工况时的83%(最低点为75.9%，最高点约为93%)，在截止阀开度100%工况时，则约为85%(最低点为76.5%，最高点约为97%)；在500 Hz～3.2 kHz，除了测点2的振动强度稍大，测点5、10、12的振动强度不变以外，各点的振动强度都有大小不等的降低[4-6]。

3.2 各工况下离心泵振动特征频率分析

3.2.1频率范围(5～500 Hz)

图2 工况1功率谱

图3 工况2功率谱

图4 工况3功率谱

该型离心泵振动加速度功率谱见图2～图4。从图中可以看出，在5～500 Hz频率范围，各测点的振幅较大的频率为24.5，49.5，98.5，197.5，299.5，311和322 Hz，其中24.5 Hz为轴频，49.5 Hz为2倍轴频，98.5 Hz为叶频，197.5 Hz为2倍叶频，299.5 Hz为3倍叶频；222 Hz只在工况1存在，应该是由于截止阀开度较小，导致流体流动受阻,在截止阀处形成激励源引起的振动； 311 Hz以及322 Hz则需要进一步分析识别。在机脚测点1～5处，299.5 Hz的振动幅值为最大(工况1，测点2次大)；在管路测点处，除了工况1外，24.5 Hz的振幅为最大。根据这一点，可以作出以下判断：该型离心泵机组中，泵叶的不平衡量比电机转子的不平衡量要大，否则在机脚测点处，24.5 Hz即轴频的振幅应比299.5 Hz即3倍叶频要大，而不会出现299.5 Hz振幅较24.5 Hz振幅要大的情况。

从图2～图4可以看出，随着工况的变化，该型离心泵单频振幅存在以下变化：

1) 24.5 Hz：工况2下，各个测点的振幅相比工况1都有较大增长；工况3下，各个测点的振幅相比工况2又有所增长；

2) 49.5 Hz：各个测点的振幅以工况1下的最大，以工况2下的最小；

3) 98.5 Hz：除了2,3,6,16号测点外，工况2下，各个测点的振幅相比工况1有所增长；工况3下，各个测点的振幅相比工况2又有较大增长；

4) 197.5 Hz：工况2、工况3下，各个测点的振幅相比工况1有较大减小；

5) 222 Hz：工况2、工况3下，各个测点的振幅相比工况1有较大减小；

6) 299.5 Hz：除了4、5号测点在工况2下有所减小外，其余各测点在三个工况下的振动幅值变化不大。

7) 宽带频谱：在工况1下不少测点的宽带频谱，在工况2、工况3下都有减少。

综上所述，工况2、3下，设备振动强度较工况1为小的主要原因是49.5,197.5,222 Hz以及宽带连续谱处振幅的减小。若能采取措施，如改善机组动平衡状况、安装动力吸振器等，降低25 Hz的振幅，并以工况2为该型离心泵运行状态，可望取得该设备对舰艇辐射噪声最小。

3.2.2频率范围(500 Hz～3.2 kHz)

该型离心泵振动加速度功率谱(500 Hz～3.2 kHz)。从图2～图4中可以看出，在该频率范围内，各测点振幅较大的频率为1 086,1 111,1 162,1 187和2 272 Hz，并且在986～1 286 Hz区间，存在以轴频25 Hz为间隔的一系列谱线。由于这些频率不是轴频的整数倍，可以排除是电机转子和水泵转子轴频的高次谐频或电机的电磁振动，也可以排除是该型离心水泵内产生的脉动压力直接引起的振动。

由于这些频率和轴频的高次谐频比较接近，应当考虑到这些频率可能与机组中除了电机和水泵转子外的另一种运动部件——电机轴承有关：滚动轴承在旋转时，轴承内的滚动体除了以轴承中心线公转外，还以自身中心在轴承保持架上自转，并和轴承内圈、外圈作相对运动，引发振动频或其的谐频，一般不等于轴频或其谐频，但和轴频的谐频比较接近，并且随着转速而变化。但由于缺乏电机转子槽数和机组各个轴承的相关参数，不能肯定这些频率就是由电机轴承产生。在清楚滚动轴承的滚动体个数、内外滚道直径以及滚动体接触角等参数的情况下，则可计算滚动轴承运动产生的特征频率，用于离心泵振动源的识别。

从图5～图7中可以看出，随着工况的变化，该型离心泵单频振幅存在以下变化：大多数测点的各个单频振幅变化不大，测点16在工况2、工况3下1 086，1 186，1 210 Hz处的振幅有较大的减小；测点17在工况2、工况3下，1 086，1 210 Hz处振幅有很大的减少。这是工况2、3下，设备振动强度较工况1为小的原因。

图5 工况1功率谱

图6 工况2功率谱

图7 工况3功率谱

3.3 离心泵安装基座振速特征线谱分析

在舰艇辐射噪声估算中，往往使用设备安装基座和管路处的振动速度作为输入参数。图8～图12为该型离心泵运行时，安装基座测点振动速度线谱;图13～图14为该型离心泵进口管路、出口管路振动速度线谱。从各图中可以看出，振动较大的频率是该型离心泵引起舰艇辐射噪声最大的频率成分。10～400 Hz频率范围内存在连续谱，这是水动力脉动所引起的振动。