Срыв потока в насосе

Изо дня в день мы привыкли сталкиваться с одними и теми же проблемами на насосах. Порой хватает одного взгляда на спектр вибрации, чтобы идентифицировать проблему и выдать рекомендации по ее устранению. Но иногда диагносту предоставляется случай хорошенько поработать. В данной статье рассмотрим практический случай вибродиагностики вертикальных насосов, проведем целое исследование и идентифицируем непонятную спектральную составляющую.

Имеем три новых вертикальных насоса (назовем их №1, №2 и №3) мощностью 800 кВт с частотой вращения 1500 об/мин. При пусконаладке было обнаружено ухудшение их вибросостояния во время работы под нагрузкой. Задача - определить причину повышенной вибрации и выдать рекомендации по ее устранению. Много раз запускать насосы никто не даст, поэтому был составлен план работ, включающий измерения виброскорости и виброускорения (как насоса, так и напорного трубопровода), временных сигналов (в том числе и на выбеге), фаз вибрации электродвигателей.

Для начала выполним измерения СКЗ виброскорости всех насосов в двух режимах - при недогрузке (давление на напоре в районе 1,0 МПа) и при полной нагрузке (давление на напоре до 0,9 МПа). При этом последовательно выполняем переходы на насосах - один отключаем, другой включаем.

СКЗ виброскорости насосного агрегата №1 при Pн = 1,05 МПа:

СКЗ виброскорости насосного агрегата №1 при Pн = 0,88 МПа:

СКЗ виброскорости насосного агрегата №2 при Pн = 1,01 МПа:

СКЗ виброскорости насосного агрегата №2 при Pн = 0,87 МПа:

СКЗ виброскорости насосного агрегата №3 при Pн = 1,02 МПа:

СКЗ виброскорости насосного агрегата №3 при Pн = 0,87 МПа:

В соответствии с документацией, допуск на электродвигатель (опоры 1 и 2) - 4,5 мм/с. Как видим, при полной нагрузке насоса вибрация электродвигателей превышает требования по вибрации. Особенно выделяется насос №3 с очень высокой вибрацией.

Что можно сказать по общим уровням виброскорости? При нагрузке насосов у нас очень сильно увеличивается вибрация в направлении R2, в направлении R1 остается на приемлемых уровнях. Резонанс.

Взглянем на спектры виброскорости.

Из спектров видим, что при нагрузке насосов основной вклад в вибрацию вносят частоты в районе 19 Гц. Поскольку предполагается наличие резонанса, его надо подтвердить, а заодно узнать справа или слева от 19 Гц находится собственная частота конструкции агрегата. Определить собственную частоту тестом на удар не дали - один из насосов должен всегда оставаться в работе, а у них общий напорный коллектор. Наведенная вибрация по напорному трубопроводу не даст выполнить эту процедуру. Измерение АФЧХ на выбеге тоже невозможно - отсутствуют светоотражающие метки для лазерного тахометра. Поэтому используем запись временного сигнала при отключении насоса. В приборе SPM Leonova Diamond такая функция работает на частоте 2560 выборок в секунду, что более чем достаточно.

Выполняем запись временного сигнала в точке 1R2 для насосов №1 и №3 при их отключениях (для насоса №2 измерения не проводились).

При отключении на выбеге виден резкий скачек вибрации. Резонанс подтвержден. Собственная частота конструкции агрегатов находится ниже оборотной.

Из временного сигнала невозможно определить собственную частоту. Поэтому выгрузим данные временного сигнала для насоса №3 из ПО и в Matlab построим спектрограмму (изменение спектров во времени).

По спектрограмме хорошо видно, что после отключения насоса на выбеге максимальные пики спектральной мощности гармоник оборотной частоты приходятся на область 19 Гц. При этом сама составляющая 19 Гц теряет свою мощность, но не изменяется по частоте вслед за оборотной. Это свидетельствует о том, что явление резонанса проходит и агрегат продолжает вибрировать на своей собственной частоте.

Более интересна спектрограмма временного сигнала на выбеге насоса №1 (переход с насоса №1 на насос №2). Внимательный читатель наверняка обратил внимание на какое-то падение вибрации в начале измерения на выбеге насоса №1. И если временной сигнал не дает нам возможность определить на какой частоте произошло изменение, то спектрограмма нам поможет. Дополнительно по данным давлений определим что происходило в это время.

Перед переходом на насос №2 оператор выполнил разгрузку насоса №1 (начал закрывать напорную задвижку). В этот момент произошло резкое падение вибрации на интересующей нас частоте в области 19 Гц. То есть на вибрацию очень сильно влияет режим работы насоса.

По факту остается два варианта происхождения вынуждающих резонанс колебаний. Это либо вибрация напорных трубопроводов (которая зависит от потока среды), либо вибрация в рабочей камере насоса (гидродинамические явления).

Измерения вибрации трубопроводов я проводил синхронно с измерением вибрации электродвигателя насоса в направлениях R1 и R2. Нас больше интересует направление R2, поэтому сравним спектральные и временные сигналы.

Взаимное влияние отсутствует. Трубы колеблются на других частотах. И более того, нестабильные всплески во временном сигнале напорного трубопровода ни как не влияют на временной сигнал вибрации электродвигателя насоса.

Остается гидродинамика в насосе. Поиск в интернете частотного состава вибрации при различных дефектах позволил идентифицировать дефект. В западной литературе среди частотных признаков, характерных для дефектов насосов был обнаружен искомый - 0,8хRPM. Срыв потока (impeller stall, rotating stall pulsation) характеризуется плохим заходом потока на лопасть рабочего колеса, из-за чего вместо плавного обтекания лопасти поток завихряется и стремится к соседней лопасти немного блокируя межлопастной канал. Под действием центробежных сил вихрь попадает в зазор между рабочим колесом и корпусом, из-за чего создается вращающееся пульсирующее поле. Само существование срыва потока и частота его колебаний зависит от угла атаки лопасти, ее длины, скорости потока, межлопастного расстояния и частоты вращения ротора. Четкой формулы расчета, как я понял, не существует, есть лишь эмперические зависимости полученные экспериментально.

Теперь перейдем к сопоставлению вибрационных признаков данного дефекта и наших данных. Как ранее было сказано, основным признаком срыва потока (вращающегося срыва) является составляющая 0,8xRPM. На самом деле не всегда, разные исследования рапортуют о разных данных. Наиболее часто выделяют диапазон от 0,6 до 0,9 частоты вращения рабочего колеса.

Возьмем нашу оборотную 24,77 Гц и умножив на 0,77 получим 19,07 Гц. Совпадение? Возможно. Двигаемся дальше. В большинстве исследований обнаружено несколько гармоник оборотной частоты с боковыми плюс/минус низкочастотная составляющая, которая по всей видимости и модулирует гармоники оборотной.

Сравним со спектром на насосе №3, так же приведенному к логарифмическому масштабу.

Полная идентичность. Такая проблема должна приводить к нестабильности положения ротора от оборота к обороту.

Сравним с круглограммой временного сигнала в точке 1R2 насоса №3.

При нагрузке насоса и высокой вибрации на электродвигателе фазу вибрации определить было невозможно, так как она хаотически изменялась от измерения к измерению, что так же свидетельствует о хаотическом обкатывании ротора в подшипниках.

Причина вынуждающих резонанс колебаний установлена. Поскольку нет возможности устранить срыв потока при полной нагрузке насоса, необходимо отстроить собственные частоты конструкции агрегатов от 19 Гц, о чем и было указано в протоколе виброконтроля насосов.

Дополнительно технологам необходимо обратить внимание на режим при полной нагрузке насоса. Судя по паспортной характеристике при давлении до 0,9 МПа режим работы насосов вываливается за границы рабочего диапазона и похоже на то что агрегаты перегружены. Этими мысли были так же доведены до представителя цеха-владельца оборудования.

Обновление:
Технологи цеха-владельца насосов признали ошибку - насосы были перегружены. Будут проведены корректирующие мероприятия по недопущению возможности работы насосов вне рабочего диапазона.