挠性多级离心泵初生汽蚀的诊断研究

王家前，朱 赢，马孝良

（辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

以德国凯士比泵阀集团（KSB）生产的RHM100-205.12卧式多级离心泵作为研究对象，该泵为国内多个核电站所作为上充泵采用，为核安全二级设备。按核电设计及安全需求，其水力性能上需要满足多个工况点，过流部件采用2种水力模型组合的设计方案；其机械性能上的显著特征则体现在泵的转子属于细长挠性转子，运行时会存在挠性变形。总的来说，上充泵的水利性能和机械性能所具备的特征，对于研究挠性多级离心泵的汽蚀故障具有典型的代表性。

1 初生汽蚀的诊断分析

1.1 频谱分析

当汽蚀现象发生时，泵内将形成接近完全真空的凹坑，并迅速地崩塌或内裂，形成爆破式的冲击，从而激起叶轮及其附近零件的局部自激频率，通常称为叶轮激振。这种爆破式的冲击力几乎可能出现在整个泵及相连管道的任何位置，造成非常随机的振动幅值和频率。上充泵额定转速4657 r/min，叶轮共12级，首级叶轮5叶片，次级至末级叶轮均为7叶片。据此计算叶轮通过频率（Lp），首级叶轮通过频率（L1）为390 Hz，次级至末级叶轮通过频率（L2）为546 Hz。在频谱诊断中发现546 Hz的叶轮通过频率尖峰，伴随随机宽带能量与叶片通过频率的叠加，这是典型的汽蚀频谱特征。

发现经典的汽蚀频谱特征，并结合噪声的变化，可以诊断简单离心泵的汽蚀故障，但对于挠性多级离心泵而言则不够充分。以RHM100-205.12卧式多级离心泵为例，笔者对多个机组共12台设备先后进行了5 a的定期监测与分析，很多未发生汽蚀的设备也有同类频谱特征。但这一特征清楚地指向了激振力来源是叶轮激振。叶轮激振来源于水力部件损坏或叶轮中心位置与泵壳中心位置的偏移。

叶轮按设计中心位置运行时，最稳定，激振力最小，偏离中心，流体激振力增大。上充泵转子属于细长挠性转子，运行时会存在挠性变形。这就需要引入2个概念，叶片比频率和通过频率调制，前者反映叶片和导叶的相互作用，后者反映各级叶轮间的相互关系。为此，可将频率采集范围扩展到6000 Hz分析（图1）。

挠性变形将不可避免地导致某几级叶轮偏离中心位置的情况，从而产生响应的叶轮通过频率。这种偏离的程度越严重，激振力也越大，且级和级之间存在相互影响。当各级叶轮之间的影响达到一定程度时，其振动信号产生调制。当首级叶轮和其他级叶轮相互影响时，特征频率表 现 为 L1×7=390×7=2730 Hz；当次级到末级的叶轮相互影响时，特征频率表现为Lp×7=546×7=3822 Hz。挠性变形不仅影响叶轮激振的程度，叶轮的偏离还会带来多级水导石墨轴承的磨损。

图1 驱动端垂直向（10～6000）Hz频谱

1.2 水力性能分析

首先需要检查泵的流量扬程曲线，保证设备是符合设计要求的。对于多流量工况多台泵并联运行这类使用条件较为复杂的泵，通过一系列不同运行方式下的流量试验，测算泵的工作点如图2所示，越偏离出三角形范围说明泵的工作条件越差。

1.3 辅助分析

图2 组合工况下泵的工作点

汽蚀总是在某个流量下呈现出较大的振动，观察振动幅值随流量的变化特征是汽蚀诊断的重要依据。进入全流量模式下时，振动幅值一定会有大幅度的增加。此时调高入口压力，可观察到振动降低。当流量增大而频谱上Lp分量下降时，通常在泵的进出口管道上会发现较高的振动，这是因为泵在较高的流量能力下工作，而管道出现了局部缺乏流体的现象。

汽蚀会产生特有的噪声，初生汽蚀发出的声音像是泵压过细密的砂子一般。当听到这类汽蚀噪声时，分析人员再发现振动频谱中高频随机成分增加，可以大大提高诊断的准确性。

2 汽蚀同期故障的诊断分析

汽蚀发生时可能使得某些其他故障特征被改变、掩盖或加强，导致诊断分析出现漏诊或误诊，以及对汽蚀程度的错误估计。对于采用振动尖峰能量技术（gSE）诊断轴承故障而言，汽蚀发生时将造成2个轴承的gSE增大，这是正常的振动机理，但有可能掩盖真正的轴承故障，这时采用对数坐标识别可以有效增加辨识准确性。当只有一个轴承的gSE值增大时，则指向该轴承有润滑或者磨损故障。

当转子或支承结构的自振频率与叶片通过频率重合时，会产生较大的振动。通过自激振动试验，RHM驱动端的固有频率通常分布在（500～600）Hz。次级至末级叶轮的叶片通过频率546 Hz正在这一区间，当两者较为接近时，振动会明显增大。要有效避开共振峰，通常需要将固有频率调整到546 Hz±10%以外的范围。

挠性泵轴在运行中产生的挠性形变会增加碰磨的发生概率和程度，就需要在设计上允许特定位置发生一定程度的磨损，通常采用由石墨环组成的导叶衬套作为可更换部件。在汽蚀故障下，叶片通过频率明显增大，则指向叶轮口环间隙异常、叶轮与导叶碰磨、叶轮磨压环卡轴等。

3 结论

典型汽蚀频谱特征的识别，不足以判定挠性多级离心泵发生汽蚀，而是描述了水力部件的激振模式，需要进一步通过高频宽带分量与叶片通过频率尖峰的关系及随着流量的变化来判别。各级叶轮激振频率间的调制关系，可对转子挠性变形、叶轮偏离中心的程度进行估计。经验证符合汽蚀性能设计的泵，通过流量三角形测算能够帮助估计汽蚀发生的严重程度。进一步通过流量、压力、噪声等辅助分析，可形成一套行之有效的分析方案，大大提高诊断的准确性。利用汽蚀同期故障的诊断分析方法可进一步分析伴随的其他故障和估计汽蚀的危害程度。

［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.