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流体引起的振动知多少?

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来源:SKF公司《Flow-Induced Vibration(流体引起的振动)》PPT


与不平衡、不对中以及共振等许多问题不同,流体引起的振动往往与设备的工艺运行状态密切相关。这就是说,依照设备类型的不同,设备的负荷以及设备承担的工艺角色对振动的影响会很大。


流体引起的振动包括以下几种情况:


  • 流体动力


  • 气蚀和抽空


  • 回流


  • 紊流


  • 喘振


  • 流体堵塞


流体动力


很多类别的设备,包括泵、风机、透平机、真空泵等等,均会不可避免地因为它们的叶片作用在输送的流体(液体或气体)上而产生流体动力。


一般,流体动力的产生遵从下面的等式:


叶片通过频率=BPF=叶片数×叶轮转速(cpm或Hz)



叶片通过频率


流体动力振动的特点:


  1. 若叶轮在机壳中偏心或相对于蜗壳的位置不正确,会产生较大的BPF及其倍频的振动。


  2. 需要尽力避免BPF及其倍频与转子或支撑结构的固有频率临近,否则会引起较大的振动。


  3. 若导叶片的焊接处发生失效,使扩压器相对叶轮产生轻微位移,它会导致BPF频率处的振动大幅上升;


  4. 若泵口轮摩擦轴,会导致BPF频率振动的大幅上升;


  5. 对有些类型的风机,其叶片通过频率对阻尼设置情况非常敏感。


  6. 叶片比频率 (BRF)按下式计算:


BRF = (转速)(叶轮叶片数)(导叶叶片数)/K


其中:K=叶轮叶片数和导叶叶片数的最大公约数。


若两个叶片数不互质,则会产生较大的BRF频率的振动。


气蚀与抽空


气蚀是离心泵的常见问题,经常造成泵内部件的严重损坏。遭受连续气蚀问题的泵叶轮会产生严重的点蚀,在一些案例中,气蚀会彻底蚕食掉叶轮叶片。


在泵输送量过大或入口压力偏低条件下,泵容易产生气蚀。


典型的气蚀/抽空频谱


气蚀特点:


  1. 通常在300Hz至2000Hz的频率范围内有随机宽带的振动。


  2. 气蚀会引起超声能量的上升,可用加速度包络检测。


  3. 气蚀通常会产生很奇特的现场噪声。中等程度的气蚀产生的噪声象沙子在泵中流动,而严重的气蚀产生的噪声象小石子在泵中通过。


  4. 抽空与气蚀差不多一样,只不过它是风机的问题。典型的抽空频谱与气蚀频谱几乎完全一样。


回流


对于泵来讲,回流是与气蚀相反的问题。泵输送量太小或入口压力太高时,泵会发生回流现象。


回流发生时,一部分流体会从出口回流到叶轮中,因为泵实际上在输送过多的流体。这样会引起反向的液流。两个或多个反向的液流会引起噪声和振动。


回流特点:


  1. 回流频谱与气蚀频谱非常相似,也有随机宽带振动,有时还有叶片通过频率。


  2. 与气蚀不同,回流不会产生泵部件的腐蚀。然而,若回流引起的振动过高,会损坏轴承、磨损环、阀和其它相关部件。


紊流


当有某种东西干扰或阻碍流体在泵、风机、压缩机或真空泵中正常流动时,紊流就会发生。紊流可能是管道中的障碍物、直角弯角以及急剧的直径改变等引起的。


典型的紊流频谱


紊流特点:


  1. 虽然紊流会产生随机的较高频率的振动,它通常产生在1xRPM以下频率范围内地随机振动,大约在50CPM 至2000CPM。


  2. 紊流引起的振动的幅值和频率是不稳定的,有时会在一个很宽的范围内波动。


  3. 有时紊流引起的噪声非常高,而机器的振动却相对较低,其原因是这时紊流发生在机器以外的管道中。


喘振


对高速离心式和轴流压缩机而言,危害更大的问题是喘振。发生喘振问题的压缩机通常是工作在设计范围以外。在特定的运转速度下,当出口压力太高或输送介质的分子量较设计工况小时,压缩机会遇到喘振问题。


喘振发生时,压缩机中的气流会改变方向。当喘振问题轻微时,仅叶轮叶片边界层附近的气流会改变方向;当喘振完全发生时,全部气流都会改变方向,从出口流向入口。压缩机的喘振问题必须得到排除,因为它会产生很大的破坏。


喘振特点:


  1. 轻微喘振仅在数秒的时间内,使叶片通过频率及其倍频明显上升。叶片通过频率幅值会上升一倍或两倍。


  2. 完全的喘振会提高整个频谱的底脚,即引起宽频段、大幅值的随机响应。


  3. 若不加以校正,喘振能在短时间内损坏压缩机。


流体堵塞


流体堵塞本质上来说是与喘振相反的故障。当出口压力太低导致流体速度太高时,压缩机会发生流体堵塞问题。


流体堵塞频谱与喘振频谱相同。因此故障分析人员必须监测其它工艺参数如压力、流量等,以确认发生的是哪种问题。


来源:声振之家,SKF公司《Flow-Induced Vibration(流体引起的振动)》PPT

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