1、高能給水泵結(jié)構(gòu)

        大型機(jī)組單機(jī)容量的提高，對(duì)高能給水泵性能提出了進(jìn)一步的要求，要求給水泵效率高，可控性好，檢修時(shí)間短，周期長(zhǎng)。目前世界上大型超臨界機(jī)組用高能給水泵基本都采用雙殼體筒型的多級(jí)離心泵。該型泵適用于高壓和超高壓，適應(yīng)熱沖擊和機(jī)組負(fù)荷變化；泵芯為可抽式，易于檢修和維護(hù)，在緊急情況下可直接更換泵芯；所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件高速動(dòng)平衡后直接整體安裝。當(dāng)前國(guó)際上有兩種結(jié)構(gòu)形式的雙殼體高能給水泵泵芯，一種是以FPD公司為代表的蝸殼軸向剖分中開(kāi)式結(jié)構(gòu)，另一種是以德國(guó)KSB公司為代表的泵芯徑向剖分多級(jí)節(jié)段式結(jié)構(gòu)。

1．1蝸殼軸向剖分中開(kāi)式泵芯

        蝸殼軸向剖分中開(kāi)式結(jié)構(gòu)的泵芯，其蝸殼保證了泵性能曲線平坦，在較寬的流量范圍內(nèi)具有高效率；蝸殼的存在，大大減少了壓力脈動(dòng)；蝸殼上下兩半對(duì)稱(chēng)，裝拆方便，可以保證所有部件的同心度。首級(jí)葉輪采用雙吸葉輪，其余葉輪背靠背相對(duì)安裝，泵在任何工況下運(yùn)行所產(chǎn)生的軸向力自相平衡，不需要采用易于產(chǎn)生故障的平衡裝置(如平衡盤(pán)或平衡鼓)，運(yùn)行中產(chǎn)生的微弱不平衡軸向力由推力軸承承擔(dān)，因此有較高的安全系數(shù)。蝸殼采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，運(yùn)行中產(chǎn)生的徑向力也得以自動(dòng)平衡。該泵缺點(diǎn)是流道復(fù)雜，流動(dòng)過(guò)程中能量損失較大，內(nèi)殼體鑄造難度高。

1．2徑向剖分多級(jí)節(jié)段式泵芯

       該泵芯由多個(gè)級(jí)組成，每一級(jí)包括葉輪和導(dǎo)流器，級(jí)并列布置。泵芯設(shè)計(jì)、安裝簡(jiǎn)單，流道通暢，效率高；轉(zhuǎn)子與導(dǎo)流部件發(fā)生碰摩后可直接更換碰摩損壞的級(jí)。由于葉輪采用并列布置，運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生很大的軸向推力，必須加以平衡，一般采用平衡鼓或平衡盤(pán)加推力軸承結(jié)構(gòu)，也有雙平衡鼓加推力軸承結(jié)構(gòu)，這就給安全運(yùn)行埋下了隱患，平衡裝置磨損是泵故障的主要來(lái)源。

2、高能給水泵振動(dòng)故障

2．1振動(dòng)故障類(lèi)型

        高能給水泵的振動(dòng)故障來(lái)自多個(gè)方面，振動(dòng)性質(zhì)可分為兩大類(lèi)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。泵振動(dòng)的具體原因有如下數(shù)種：質(zhì)量不平衡、軸承油膜失穩(wěn)、流體激振(葉輪出口間隙不當(dāng)造成的流體激振、密封環(huán)磨損)失穩(wěn)、平衡鼓(盤(pán))缺陷、軸向推力過(guò)大、動(dòng)靜碰摩、對(duì)輪不對(duì)中、軸承間隙過(guò)大、軸承松動(dòng)或部件松動(dòng)等。

        實(shí)際上，高能給水泵表現(xiàn)出的故障可以歸結(jié)為兩個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題：機(jī)組部分負(fù)載時(shí)給水系統(tǒng)的失穩(wěn)和泵的軸向推力平衡不良，這兩個(gè)問(wèn)題是相互關(guān)聯(lián)的。大型機(jī)組給水泵為節(jié)約能源，普遍采用變轉(zhuǎn)速控制，設(shè)計(jì)者首先考慮的是滿負(fù)荷工況點(diǎn)時(shí)泵的性能和機(jī)組匹配，從而，泵隨轉(zhuǎn)速變化的性能曲線無(wú)法始終保證與系統(tǒng)的統(tǒng)一，這就為部分負(fù)載時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)埋下了隱患。另一方面，現(xiàn)代大型給水泵的軸向力平衡較多采用平衡盤(pán)(鼓)加推力軸承的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)也首先考慮了滿負(fù)荷時(shí)的軸向力平衡，部分負(fù)載時(shí)，泵轉(zhuǎn)速下降，通流部分產(chǎn)生的軸向推力和平衡盤(pán)(鼓)產(chǎn)生的反向推力不等，有時(shí)相差很大，超過(guò)了推力軸承的承載范圍，產(chǎn)生推力瓦損壞、葉輪與密封環(huán)或泵體摩擦等故障。

2．2振動(dòng)頻譜特征

        給水泵振動(dòng)故障頻譜特征可分為以下六種，每種頻譜特征都有對(duì)應(yīng)的故障：

(1)1倍頻(1X)：主要是由質(zhì)量不平衡造成，包括鍵磨損或斷裂飛脫、葉輪偏心、平衡盤(pán)不均勻磨損等；

(2)2倍頻(2x)：產(chǎn)生2倍頻的原因較多，有轉(zhuǎn)子不對(duì)中、摩擦、共振、軸承間隙大、軸承松動(dòng)、部件松動(dòng)、兩倍渦旋等；

(3)次低頻：半頻(0．5X)，通常稱(chēng)為半速渦動(dòng)，次同步渦動(dòng)，這主要與油膜失穩(wěn)或工質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)原因有關(guān)；

(4)葉片旋轉(zhuǎn)激振：頻率是葉輪葉片個(gè)數(shù)(Z)×通頻，來(lái)自于通流部分的葉輪葉片和擴(kuò)壓導(dǎo)葉對(duì)流體的作用；

(5)低頻：對(duì)于低于10Hz的低頻振動(dòng)，主要來(lái)自于給水系統(tǒng)、循環(huán)管線等的影響；

(6)上述兩種或更多種頻率成分的合成。

        這些原因可以單一存在，也可以同時(shí)存在。它們對(duì)應(yīng)不同的頻率特征。其中1倍頻和2倍頻的振動(dòng)原因較易于確定，低頻和次同步的原因往往難于確定。而且存在故障的泵，極少情況下，只表現(xiàn)為單一的故障頻率特征，大多數(shù)情況，振動(dòng)信號(hào)由兩種或兩種以上的頻率組成。如何區(qū)分這些復(fù)合頻率，并且從中確定哪個(gè)是導(dǎo)致故障的主要成分，有時(shí)具有很大的困難。

2．3解決方案

        泵振動(dòng)加劇，超越報(bào)警值時(shí)，必須對(duì)泵進(jìn)行處理。首先進(jìn)行頻譜分析，確定故障原因。對(duì)于質(zhì)量不平衡，如果屬于二階質(zhì)量不平衡，可以采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡；屬于一階不平衡，且不平衡力位于跨內(nèi)，返廠做動(dòng)平衡效果較好。若泵發(fā)生動(dòng)靜碰摩，由于碰摩的混沌本質(zhì)，產(chǎn)生次同步一超同步分量、邊頻以及諧波分量，利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確診斷極其困難。如果碰摩故障能夠確證，可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子中心位置的方法解決。油膜失穩(wěn)和流體激振，首先要檢查軸承是否完好，軸承間隙是否合理。圓柱瓦軸承，可以更換為能增加轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性、抑制轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的橢圓瓦或可傾瓦軸承。泵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)激振的可能性較小，解決旋轉(zhuǎn)激振的方法就是適當(dāng)增大葉輪至導(dǎo)葉的徑向間隙，在不改變泵性能的前提下可以通過(guò)切削導(dǎo)葉內(nèi)圓實(shí)現(xiàn)。

        徑向剖分多級(jí)節(jié)段式泵芯在運(yùn)行中產(chǎn)生巨大的軸向力，需要由平衡盤(pán)(鼓)來(lái)平衡。平衡鼓是一個(gè)典型的水潤(rùn)滑徑向軸承，該設(shè)計(jì)改變轉(zhuǎn)子的水動(dòng)力特性，泄漏量大，降低了效率；平衡盤(pán)則是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的水潤(rùn)滑推力軸承，間隙e控制壓力，在空間A中產(chǎn)生推力(圖1(a))。如果間隙e太小，平衡盤(pán)將不能提供足夠的推力，在轉(zhuǎn)子所受推力下，工作面可能接觸或咬死。該尺寸對(duì)其產(chǎn)生的軸向力是很敏感的，實(shí)餞中，不合理的尺寸已經(jīng)導(dǎo)致了多臺(tái)泵發(fā)生故障。該類(lèi)故障的處理是讓空間A產(chǎn)生一個(gè)錐度a如圖1（b）

        正常運(yùn)行時(shí)，間隙e處于合理水平，平衡盤(pán)能夠提供足夠的軸向平衡力；當(dāng)轉(zhuǎn)子通流部分水力波動(dòng)或由外界引起突發(fā)性大軸向力時(shí)，間隙e消失，平衡盤(pán)失效，軸向力得不到平衡，多余的軸向力使間隙e為零，平衡盤(pán)以及密封部件碰摩，故障發(fā)生；如果存在錐度，間隙e便不會(huì)消失，平衡盤(pán)一直有效，突發(fā)的大軸向力消失時(shí)，平衡盤(pán)的平衡作用仍然能使轉(zhuǎn)子恢復(fù)原位平穩(wěn)運(yùn)行。

3、振動(dòng)故障分析診斷實(shí)例

         目前給水泵振動(dòng)故障的分析與判斷，主要還是依據(jù)它的頻譜特征。頻譜分析的特征圖形包括：波特圖、極坐標(biāo)圖、軸心動(dòng)態(tài)軌跡、軸心靜態(tài)軌跡、頻譜圖、瀑布圖、級(jí)聯(lián)圖和趨勢(shì)圖。測(cè)試時(shí)，詳細(xì)地記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)以得到理想的頻譜圖，借助于這些圖形和數(shù)據(jù)能夠有效地判定故障類(lèi)型，確定故障原因。某廠600MW機(jī)組的鍋爐汽動(dòng)給水泵，運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)4 700r／min時(shí)出口側(cè)軸承振動(dòng)急劇增大，對(duì)其時(shí)域波形進(jìn)行頻譜分析得到瀑布圖(圖2)。由圖2可以看到，轉(zhuǎn)速4830r／rain處振動(dòng)最大，振動(dòng)主頻為66．5Hz，即高振動(dòng)頻率分量為1倍頻的0．82倍(0．82X)。

        振動(dòng)頻率關(guān)系及振幅隨轉(zhuǎn)速的變化與軸承油膜失穩(wěn)類(lèi)似，初步確定該泵異常振動(dòng)的性質(zhì)為失穩(wěn)，診斷為油膜失穩(wěn)導(dǎo)致的次同步渦動(dòng)。檢查軸承，結(jié)果顯示出口端軸承頂隙偏大。處理軸瓦，減小軸承頂隙至合理值。處理后，轉(zhuǎn)速升至5 200r／min，沒(méi)有出現(xiàn)低頻振動(dòng)。

       該泵做上述處理后運(yùn)行半個(gè)月，再次發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)3次大振動(dòng)(圖3)。頻譜圖(圖4)顯示振動(dòng)主頻為低頻71Hz(0．825X)左右，低頻振幅大于1倍頻。

        這種低頻振動(dòng)應(yīng)該仍與軸承失穩(wěn)相關(guān)，決定解體汽泵，詳細(xì)檢查軸承，檢查發(fā)現(xiàn)出口端軸承安裝錯(cuò)誤；兩軸承上下瓦均磨損，出口端軸承下瓦磨損嚴(yán)重，跨內(nèi)側(cè)擋油邊烏金損壞嚴(yán)重，已經(jīng)發(fā)生碎裂。分析認(rèn)為由于軸瓦錯(cuò)裝，本應(yīng)形成主要承載區(qū)的油膜無(wú)法形成，只好由內(nèi)側(cè)擋油邊來(lái)承擔(dān)。而內(nèi)側(cè)擋油邊的承載面積明顯小于原設(shè)計(jì)的主承載區(qū)，擋油邊的比壓要遠(yuǎn)大于它的承載極限，因此發(fā)生烏金碎裂。換瓦并更正方向，升速到4 200r／min時(shí)，出口端軸振偏大，一倍頻82p,m，通頻111¨m。這種現(xiàn)象一般是質(zhì)量不平衡或動(dòng)靜碰摩故障。停機(jī)，對(duì)輪重新找中，開(kāi)機(jī)升速到3 900r／min，振幅量值依舊，一倍頻相位發(fā)生變化，說(shuō)明有局部摩擦的可能。停機(jī)檢查軸瓦，發(fā)現(xiàn)兩軸承上下瓦面有輕微磨損，換瓦，放大頂隙；調(diào)整對(duì)輪對(duì)中。開(kāi)機(jī)升速到4 327r／min，振動(dòng)值和過(guò)去基本相同。鑒于幾次開(kāi)機(jī)一倍頻振幅高，且振動(dòng)相位較穩(wěn)定，決定進(jìn)行加重。加重發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量位于跨內(nèi)，呈一階振型分布，在跨外加重效果不明顯，于是停止加重。再次開(kāi)機(jī)，升速到4 200r／min時(shí)并泵，發(fā)現(xiàn)泵出口端振動(dòng)的振幅相位基本恒定，但運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)推力瓦溫急劇增加到了61℃，決定停機(jī)解體檢查。解體發(fā)現(xiàn)平衡盤(pán)、密封套、密封環(huán)磨損。平衡盤(pán)工作面磨痕嚴(yán)重，且多數(shù)是舊痕。芯包送生產(chǎn)廠修復(fù)，更換平衡盤(pán)、密封環(huán)、密封套等并進(jìn)行低速動(dòng)平衡。回裝后開(kāi)機(jī)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)良好，振動(dòng)幅值較小，振幅、相位均較穩(wěn)定；沒(méi)有低頻分量出現(xiàn)。滿足生產(chǎn)要求。

4、結(jié)論

        大型機(jī)組給水泵芯包為蝸殼軸向剖分中開(kāi)式結(jié)構(gòu)或徑向剖分多級(jí)節(jié)段式結(jié)構(gòu)，前者有較高的安全系數(shù)，但能量損失大；后者軸向推力高，必須采用的平衡鼓或平衡盤(pán)是振動(dòng)的潛在來(lái)源。高能給水泵振動(dòng)故障性質(zhì)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，具體原因有多種；故障歸結(jié)為兩個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題：機(jī)組部分負(fù)載時(shí)的失穩(wěn)和軸向推力平衡不良。目前給水泵振動(dòng)故障的分析與判斷主要依據(jù)頻譜，1倍頻和2倍頻振動(dòng)原因較易認(rèn)定，低頻和次同步的原因難于確定；對(duì)于復(fù)合頻率故障的判斷，如次同步一超同步分量、邊頻以及諧波分量的動(dòng)靜碰摩，利用現(xiàn)有技術(shù)準(zhǔn)確診斷更為困難。對(duì)徑向剖分多級(jí)節(jié)段式泵芯振動(dòng)故障的處理，對(duì)間隙e應(yīng)該特別加以注意；平衡盤(pán)工作面應(yīng)增加合適的錐度。本文給出的一個(gè)以低頻為主的失穩(wěn)實(shí)例表明，高能給水泵軸承油膜失穩(wěn)與工質(zhì)為蒸汽的汽輪機(jī)油膜失穩(wěn)有類(lèi)似之處，但又有不同的確定性特征。