Неоднородность потока в проточной части центробежных агрегатов.

Неоднородность потока в проточной части — один из наиболее характерных и интенсивных источников гидродинамических колебаний центробежных насосов, газодинамических колебаний вентиляторов и реже (меньше) компрессоров и турбин. Причина этих колебаний — гидро и газодинамические силы от неоднородности потока на входе (при наличии направляющих лопаток) и выходе из рабочего колеса, т.е. неравномерность поля скоростей и давлений по шагу между лопастями колеса.

При вращении рабочего колеса (на примере насоса) присходят циркуляции рабочей среды вокруг лопасти, а также "провалы" скорости при обтекании вращающихся лопастей, обусловленные вязкими средами. Механизм возникновения вибрации от неоднородности потока за колесом, вызываемый приведенными факторами, срабатывает при наличии в потоке препятствия в виде языка спирального отвода.

Первичным явлением в потоке жидкости следует считать импульсы давления (неуравновешенность распределения давлений) при прохождении лопастей рабочего колеса мимо языка или входных лопаток (в проточных каналах). По частотному составу пульсации этих сил являются сложными колебаниями, содержащими компоненты на частоте вращения ротора, лопастной частоте и их гармоники, а также боковые частоты вокруг лопаточных частот. Эти импульсы давления носят гармонический характер. Частота следования лопастных импульсов зависит от частоты вращения ротора, числа лопастей рабочего колеса и количества лопаток направляющего аппарата на входе и выходе.

В простейшем случае она определяется но формуле:

— частота вращения ротора, к — натуральное число.

Если имеются направляющие лопатки на выходе рабочего колеса, то приведенное выше выражение принимает вид:

— число неподвижных направляющих лопаток.

и/или на суммарных и разностных частотах,

- натуральные числа), а также других частотах.

Могут быть два типа источников лопастных колебаний, действующих с основной лопастной частотой: нестационарный возбуждающий момент и пульсация давления газа или жидкости. При проходе лопаток мимо языка возникает пульсация давления, воздействующая на стенки корпуса и вызывающая их колебания на лопастных частотах. При этом могут возникать также крутильные колебания корпуса под действием нестационарного крутящего момента. Динамические силы могут иметь радиальное и осевое направление.

Уровень вибрации механизмов на лопастной частоте и ее гармониках зависит от окружной скорости рабочего колеса и расстояния от внешней кромки лопастей до языка. Увеличение расстояния относительно номинального в два раза снижает уровень вибрации на 4...6 дБ, однако с ростом зазора падает производительность. Вибрация на лопастной частоте пропорциональна второй — третьей степени частоты вращения (в зависимости от конструктивных особенностей). В настоящее время отсутствуют достаточно простые выражения расчета пульсации давления на лопастных частотах, что связано с их сильной зависимостью от множества конструктивных параметров. Но можно сказать, что вибрация выше у механизмов с рабочими колесами, имеющими параллельные торцевые поверхности рабочих колес относительно языка спирального отвода.

Неоднородности потока в проточной части могут вызывать несоблюдение расчетных (нормативных) технологических режимов эксплуатации центробежных агрегатов, нарушение технологии изготовления и сборки деталей проточной части (разброс гидродинамических характеристик лопастей, статический и динамический эксцентриситеты между рабочим колесом и корпусом и др.) и эксплуатационный износ деталей проточной части (в основном лопастей рабочих колес).

Статистические данные показывают (см. гл. "Методология нормирования вибрации и распознавания технического состояния оборудования"), что при отсутствии дефектов изготовления, монтажа, эксплуатационного износа и соблюдении номинальных (оптимальных) технологических режимов эксплуатации вибрация на лопаточных частотах центробежных агрегатов в основном не определяет уровень вибрации агрегата и в спектре виброскорости редко является преобладающей.

При несоблюдении номинальных (оптимальных, расчетных) технологических режимов эксплуатации насосов, например, работе в области малых подач, часто возникает неоднородность потока, которая может сопровождаться начальной ("мягкой") формой кавитации. В этом случае типично присутствующая вибрация на лопастной частоте (иногда при этом появляется вибрация на боковых частотных составляющих) может значительно превосходить вибрацию на частоте вращения ротора. Иногда могут появляться колебания в инфразвуковой области спектра.

На рис. 12 — 06 приведены форма и спектр сигнала виброскорости насоса, работавшего при малых подачам, и возникающих при этом колебаниях скоростей потока (инфразвуковые колебания). Вибродатчик крепился к корпусу подшипника при помощи шпилечного соединения, обеспечивавшего достаточную жесткость соединения, при этом в области частот от 25 Гц и ниже заметно появление низкочастотной вибрации (участок спектра, помеченный стрелкой) — начальная стадия инфразвуковых колебаний.

Агрегат при этом способен работать достаточно продолжительное время, если отсутствуют резонансные колебания его частей и работоспособны подшипники, но ускоренный износ рабочих поверхностей колеса (особенно при возникновении начальной формы кавитации) и несколько меньше подшипников, вала, и, что часто наблюдается, уплотнений (особенно при возникновении инфразвуковых колебаний) приводят к повышенным издержкам. Например, СКЗ виброскорости 1 мм/с на частоте 1 Гц соответствует размаху виброперемещения 450 мкм, что может превышать зазор в уплотнениях и приводить к их ускоренному фрикционному износу.

В разделе "Кавитация" текущей главы помещен спектр огибающей высокочастотой вибрации, измеренный на этом агрегате.

, При

  натуральные числа. Статический эксцентриситет в большинстве случаев не влияет на уровень вибрации центробежных агрегатов и существенно может проявляться лишь в случае малых зазоров между рабочим колесом и языком спирального отвода.

О днако надежных статистических данных о количественных изменениях вибрации на боковых частотных составляющих (в качестве диагностических параметров) вокруг лопаточной частоты (с учетом нагрузки, расхода и др.), с помощью которых можно было бы сделать однозначное заключение об опасности дефекта, в настоящее время не имеется.

В качестве примера лопастной вибрации можно привести следующий . Одноступенчатый центробежный насос (количество лопаток — 7) с выносными подшипниковыми опорами и подшипниками качения, приводимый асинхронным электродвигателем мощностью 250 кВт, работает с частотой ротора 49,8 Гц при номинальной нагрузке. До момента приведенных измерений находился в эксплуатации 12 лет. Текущий ремонт, включающий замену подшипников, производился за 11 месяцев до приведенных данных измерения вибрации.

превышает вибрацию в осевом направлении (контрольные точки

выше

  преобладает и достигает 3 мм/с, наблюдается вибрация на высших

Н а всех контрольных точках

. — дефект внутреннего кольца подшипника, остальные — боковые частоты). Уровень вибрации обеих опор примерно равен по величине.

  помечены стрелками), высшие гармоники частоты

, составляющие на частотах,

некратных частоте вращения ротора, наиболее значимые из которых на частотах 215, 380, 616, 666, 716, 766 Гц, связанные с дефектами подшипников качения, вклад которых в СКЗ виброскорости достаточно велик и составляет более 15%.

На осциллограмме виброскорости вертикальными пунктирными линиями помечены временные интервалы , соответствующие одному обороту ротора. На кривой вибрации в продолжение одного оборота наблюдается примерно 7 и более пиков, амплитуда в течение нескольких оборотов изменяется вдвое по величине, и пиковое значение достигает 14,1 мм/с .

Приведенные выше факты (преобладающая вибрация на частоте вращения ротора в горизонтально — поперечном направлении, вибрация на лопастных частотах и боковых частотах вокруг них, вибрация на частотах дефектов колец подшипников и боковые частоты вокруг них, характер кривой виброскорости) свидетельствовали в пользу эксплуатационного износа рабочего колеса и подшипников качения. В процессе обследования проточной части насоса на кромках лопастей рабочего колеса были обнаружены выбоины, а сами лопасти имели неравную толщину, поверхность лопастей имела следы локального износа (раковины), подшипники качения имели развитые дефекты колец.

— натуральные числа), и других комбинационных частотах.

В качестве примера можно привести спектры вибрации центробежного компрессора (см. рис. 12 — 09), имевшего дефекты направляющего лопаточного аппарата с изменяемым углом установки лопаток на входе рабочего колеса первой ступени.

многократно увеличилась.