核电厂循环海水泵电机共振问题快速分析

杨 璋，徐 雷，蒋彦龙，石建中

（1. 南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016；2. 福建宁德核电有限公司,福建 宁德355200；3. 中广核工程设计有限公司，深圳 518057）

核电厂循环海水泵电机共振问题快速分析

杨 璋1,2，徐 雷1，蒋彦龙1，石建中3

（1. 南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016；2. 福建宁德核电有限公司,福建 宁德355200；3. 中广核工程设计有限公司，深圳 518057）

研究一种计算振动系统自然频率的简易方法有助于现场技术人员及时分析并治理振动缺陷。结合某核电厂大型立式循环海水泵电机振动特征，利用机械振动学理论建立振动系统简化模型，通过静变形法计算出自然频率为13.5Hz。电机系统在11.3Hz叶片通过频率的流体脉动激励力作用下发生共振故障，通过计算如增加支撑能提高系统自然频率避开共振区，经现场实施成功处理了振动超标缺陷。该简化模型的合理性与简易分析方法的正确性得到验证，为该类问题的分析与处理提供了借鉴。

立式电机；振动；静变形法；共振

0 引言

立式泵组具有占地面积小、顶部驱动电机防水淹能力强等优点，在压水堆核电厂应用日益广泛，如低压安注泵、安全壳喷淋泵、循环海水泵等。该类泵组大多采用叶轮部分布置在地坑，立式电机布置在上方楼板的固定方式，在电动机和底座之间安装密封能将电机房间和泵房隔开。

为保证泵组运行期间维持合理的振动水平，应通过有限元模态分析、共振频率试验等方式获得泵和电机以及其支承和辅助系统的固有频率，避开泵组运行过程中主要激振力频率，避免产生过度应力。模态分析及共振频率测试均已是成熟技术，如傅彩明等人通过有限元仿真系统MSc. Nastran计算获得了某大型立式电动机的前3阶固有频率及振型，提出增加转子系统刚度，可提高电机运行的平稳性与安全性[1]；庞立军等人通过锤击法测得某水轮机蝶阀层压力钢管的固有频率，并提出治理措施，避免结构共振问题[2]。但这两种方法均需要专用软件或专用测量设备支持，对人员技能水平要求高，且建模、测量工作量大。本文根据某核电厂循环海水泵电机运行中的振动状态，结合微位移线弹性理论，提出建立简化振动系统模型，通过计算静力学方程获得振动系统固有频率的分析方法。通过该电机共振问题的分析、治理，验证了该方法的正确性，为同类故障的分析与治理，提供借鉴。

1 循环海水泵参数简介

国内某1000MW压水堆核电机组配套的两台循环海水泵为单级立式离心泵，由电机、行星齿轮减速器、泵体组成（中间通过齿式联轴器连接），现场布置如图1所示。驱动电机额定功率6700kW，额定转速993r/min，重量31950kg，布置在+5.3m的楼板上；齿轮箱转速比5.85；水泵额定流量27.7m3/s，额定扬程19m，额定转速180r/min。

图1 某大型立式循环海水泵简图

2 振动系统简化模型建立与计算

2.1 电机振动现象描述

调试期间发现：1、循环海水泵电机驱动端几乎无震感；2、电机非驱动端垂直于泵出口管道的东西方向（V）振幅在3.1～8.5mm/s间剧烈波动，且整体振幅水平随着潮位上升而同步上升；3、电机非驱动端平行于泵出口管道的南北方向（H）及平行于电机中心轴方向（A）振动合格。

2.2 简化振动系统模型建立

结合电机安装特点及运行中的振动幅值特征，根据机械振动学理论，将电机及支承系统简化为坐落在弹性工字梁框架上的圆柱形刚体绕南北向（x轴向）的微幅转角振动系统，近视为单自由度无阻尼振动系统。

电机本体通过螺栓连接固定在菱形厚底板上，厚底板的4个顶角焊接在工字梁组成的方形框架上，框架的四角通过地脚螺栓固定在钢筋水泥基础上，电机的上端处于自由状态。电机本体简化为圆柱形刚体，工字梁框架简化为弹性元件，工字梁框架的4角简化成铰链支承，如图2所示。

图2 立式循环海水泵电机振动系统简化模型

2.3 振动系统自然频率计算

应用静变形关系，计算电机振动系统微幅转角振动的固有频率。

电机绕x轴做转角振动的无阻尼自然频率fxn计算公式为[3]:

晚期肿瘤患者及照顾者的心理健康状况密切相关，针对引起心理问题的不同因素采取干预措施，能有效降低照顾者的负担，缓解晚期肿瘤患者情绪，使两者都能以健康积极的心态面对疾病，有助于提高家庭的生活质量。

kx——电机绕x轴的转角变形刚度，N·m/rad；

Jx——电机绕x轴的转动惯量，kg·m2。

kx通过静变形法由4根简支梁的横向弯曲变形关系导出。工字梁AC和BD的弯曲模式为简支梁在中点承受横向集中力F的横向弹性弯曲；工字梁AB和CD为简支梁在中点承受集中力偶m的横向弹性弯曲。由简支梁中点受集中力、集中力偶作用的挠度计算公式[4]导出式（2）～（5）：

式（2）～（5）中下标AC、BD、AB和CD分别对应图3中梁的名称，k为各梁的转角变形刚度（N·m/rad），E为各梁的线弹性模量（N/m2），I为各梁的截面惯性矩（m4），L为各梁的长度（m）。

根据弹性元件等效刚度原则，框架整体转角变形刚度等于这4根简支梁刚度的和。由于这4根简支梁的材料、类型、截面尺寸、长度均相同，式（2）～（5）的叠加结果为：

电机绕x轴的转动惯量Jx为：

M——电机的总质量，kg；

D——电机的外径，m；

根据式（1）～（7）计算出电机振动系统绕x轴做转角振动的自然频率为13.5Hz（见表1）。

表1 立式循环海水泵电机自然频率计算结果

3 电机振动故障诊断及现场治理

3.1 电机振动故障诊断

对电机非驱动端垂直方向的测点进行连续振动数据采集与频谱分析，发现通频信号主要由11.3Hz和16.6Hz两个分量组成；通频值的变化主要是由11.3Hz分量导致。电机非驱动端三向振动测点的频谱成分表见表2，均以11.3Hz分量为主。

循环水泵运行中主要的激振力有电机转子和水泵泵轴因不可避免的残余质量不平衡导致的离心力，齿轮冲击力，叶片通过频率的流体脉动压力。经计算并考虑测量误差，f1与水泵叶片通过频率对应，水泵泵轴旋转频率为2.83Hz，叶轮叶片数为4，则叶轮叶片通过频率为11.3Hz；f2与电机转子的同步旋转频率16.6Hz（993r/min）与相对应。

表2 电机非驱动端三向振动频谱成分信息表（mm/s）

电机振动系统绕x轴做转角振动的自然频率为fxn（13.5Hz），略高于f1，但避开裕度不足17%，落入共振区。

综合上述分析，诊断电机非驱动端的剧烈振动是由于在f1处共振所致。

治理共振缺陷，可采取措施调整系统质量或系统刚度，改变系统自然频率避开共振区间。

4 现场治理

结合电机现场布置并尽可能简化处理以减小对工程调试进度的影响。通过理论计算，如在电机上部增设4根14号槽钢支撑杆可以大幅提高系统自然频率并避开共振区间。

图3 电机振动系统简化模型(增加支撑后)

建立简化模型如图3所示。每根支撑杆的转角位移刚度k'x的计算公式[4]如式（8）。

式（8）中F为槽钢的截面积（m2），l为槽钢的长度（m），其他符号同前。

对应振动模型自然频率fxn的计算公式为：

计算如增加支撑后电机系统绕xx轴做转角振动自然频率为52.6Hz，见表3。

表3 立式循环海水泵电机自然频率计算结果（增加支撑后）

图4 循环海水泵电机加装支撑件后现场图

重新启泵进行振动测量，电机非驱动端振动值大幅降低，异常波动现象消失，电机振动合格[5]，治理措施取得良好效果，见表4。

该电机共振问题的分析及成功处理，验证了该类坐落在弹性支座上刚体微幅转角振动系统简化模型的合理性与通过静变形法计算其自然频率的正确性。

表4 加装支撑后电机非驱动端三向振动频谱信息表（mm/s）

5 结论

该循环海水泵电机运行时，绕x轴做微幅转角振动。电机振动简化为单自由度无阻尼振动系统模型符合工程实际，通过静变形法计算其自然频率，简单有效。在电机顶部增加固定支撑的方法能有效提高自然频率，避开共振。坐落在弹性支座上刚体的微幅转角振动问题可参照该方法分析、处理。

[1] 傅彩明, 毛文贵, 李建华. 大型立式电动机转子系统模态仿真与振动实验研究[J]. 中南大学学报（自然科学版）. 2011,42(10)：3073-3077.

[2] 庞立军, 钟苏, 卜良峰, 胡建文. 混流式水轮机异常噪声现场试验分析[J]. 振动与冲击, 2012, 31(14)：39-43.

[3] 杨国安. 机械振动基础[M]. 北京：中国石化出版社, 2012.

[4] S.铁摩辛柯, J.盖尔. 材料力学[M]. 北京：科学出版社, 1976.

[5] GB/T 6075.3-2011, 机械振动在非旋转部件上测量评价机器的振动 第3部分：额定功率大于15kW额定转速在120 r/min至15000r/min之间的在现场测量的工业机器[S].

审稿人：吕桂萍

The Rapid Analysis Method for Resonance Vibration of Motor for Sea-water Circumstance Pump

YANG Zhang1,2, XU Lei1, JIANG Yanlong1, SHI Jianzhong3
(1. Department of Airplane Design, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Ningde Nuclear Power Company, Ningde 355200, China; 3. China nuclear Power Design Co, .Ltd; Shenzhen 518057, China)

It is useful for technician to analyze and solve vibration default in field in time, if a simple method for calculating vibration system’s natural frequency has been found. Basing on a large size vertical motor’s vibration status and mechanical vibration theory, a simple vibration system model was established and the motor’s natural frequency was calculated to be 13.5Hz through statical forming method in nuclear power station. When the motor was running, a resonance vibration happened, because the motor system’s natural frequency was close to the pump’s blade passing frequency f4x.Through this simple model and calculation method, if a special strutting piece added on the top of the motor, its natural frequency will be increased greatly and resonance will be avoided through calculate. When the strutting piece has been fixed in field, motor’s resonance vibration phenomenon disappears and vibration status is within the limit level. This simple vibration system model and calculation method is proved correctly and simply, which can be used for analyzing and dissolving this kind of vibration question.

vertical motor; vibration; statical forming method; resonance

TM301.4+2

A

1000-3983(2016)02-0029-04

2015-03-13

杨璋（1981-），2006年毕业于浙江大学动力工程及工程热物理专业，获工学硕士学位。主要从事旋转设备振动故障诊断与治理技术的研究，高级工程师。