Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

181

Лопасть рабочего колеса при вращении регулярно набегает на неодно-

родность потока, вследствие чего возбуждаемые при этом вибрация и шум про-

являются на лопастной частоте.

Вибрация на этой частоте возникает также при взаимодействии

неоднородного потока, выходящего из рабочего колеса, с лопастями сзади

стоящего направляющего (спрямляющего) аппарата.

Вибрация и шум насосов от неоднородности потока снижаются при уве-

личении зазора между лопастями рабочего колеса и неподвижными (статорны-

ми) лопатками, а также путем подбора рационального сочетания их чисел.

При равномерной частотной характеристике корпуса насоса во всем диа-

пазоне лопастных частот интенсивность вибрации и шума от неоднородности

потока растет в 4…6-й степени от окружной скорости.

В общем случае неоднородность потока возбуждает вибрацию в области

частот от

5 f до

50 f или

f)41(

. При этом вибросигнал содержит

составляющие:

- на частоте вращения ротора и ее гармониках;

- на лопаточной частоте (

f или BPF) и ее гармониках;

- на боковых частотах вокруг лопаточной частоты и ее гармониках и суб-

гармониках.

В частности:

1. Разброс газодинамических (гидродинамических) характеристик лопа-

стей, выражающийся в нарушении расчетной формы лопастей, может при-

водить к появлению составляющих на лопаточной частоте и ее модуляции

гармониками оборотной частоты (

kff

);

2. При динамическом эксцентриситете рабочего колеса относительно

языка или направляющего аппарата на входе или выходе (в основном, при

очень малых значениях зазора) также может появиться амплитудная модуляция

лопаточной частоты

f и ее гармоник

mf оборотной частотой

f и ее гармо-

никами

kf , т.е. составляющие

kfmf

(Рисунок 7-27);

3. Статический эксцентриситет в большинстве случаев не очень

сильно влияет общий на уровень вибрации и существенно может проявляться

лишь в случае малых зазоров между рабочим колесом и языком спирали отво-

да;

4. При неравномерном эксплуатационном износе лопастей могут появ-

ляться

f и ее гармоники

kf , лопаточные частоты

mf и их модуляционные

составляющие

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

182

Рисунок 7-27 - Спектр вибрации центробежного компрессора

при динамическом эксцентриситете

7.3.4. Пульсации давления

Турбулентность, явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей

и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочислен-

ные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и тер-

модинамические характеристики (скорость, температура, давление, плотность)

испытывают хаотические флуктуации и потому изменяются от точки к точке и

во времени нерегулярно. Этим турбулентные течения отличаются от так назы-

ваемых ламинарных течений.

Благодаря большой интенсивности турбулентного перемешивания турбу-

лентные течения обладают повышенной способностью к передаче количества

движения (и потому к повышенному силовому воздействию на обтекаемые

твёрдые тела), передаче тепла, ускоренному распространению химических ре-

акций (в частности, горения), способностью нести и передавать взвешенные

частицы, рассеивать звуковые и электромагнитные волны и создавать флуктуа-

ции их амплитуд и фаз, а в случае электропроводной жидкости - генерировать

флуктуирующее магнитное поле и т.д.

Турбулентность возникает вследствие гидродинамической неустойчи-

вости ламинарного течения, которое теряет устойчивость и превращается в

турбулентное, когда так называемое число Рейнольдса превзойдёт некоторое

критическое значение

Re .

Возникновение турбулентности при обтекании твёрдых тел может прояв-

ляться не только в виде турбулизации пограничного слоя, но и в виде образова-

ния турбулентного следа за телом в результате отрыва пограничного слоя от

его поверхности. Турбулизация пограничного слоя до точки отрыва приводит к

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

183

резкому уменьшению полного коэффициента сопротивления тела. Турбулент-

ность может возникнуть и вдали от твёрдых стенок, как при потере устойчиво-

сти поверхности разрыва скорости (например, образующейся при отрыве по-

граничного слоя или являющейся границей затопленной струи или поверхно-

стью разрыва плотности), так и при потере устойчивости распределения плот-

ностей слоев жидкости в поле тяжести, то есть при возникновении конвекции.

Турбулентное течение (от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный),

форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупо-

рядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приво-

дит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или

газа. Наиболее детально изучены Турбулентное течение в трубах, каналах, по-

граничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твёрдых тел, а также

так называемых свободные Турбулентное течение - струи, следы за движу-

щимися относительно жидкости или газа твёрдыми телами и зоны перемеши-

вания между потоками разной скорости, не разделёнными какими-либо твёр-

дыми стенками. Турбулентное течение отличаются от соответствующих

ламинарных течений, как своей сложной внутренней структурой, так и рас-

пределением осреднённой скорости по сечению потока и интегральными харак-

теристиками — зависимостью средней по сечению или максимальной скорости,

расхода, а также коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса

Ламинарное течение (от лат. lamina - пластинка), упорядоченное тече-

ние жидкости или газа, при котором жидкость (газ) перемещается как бы слоя-

ми, параллельными направлению течения. Ламинарное течение наблюдаются

или у очень вязких жидкостей, или при течениях, происходящих с достаточно

малыми скоростями, а также при медленном обтекании жидкостью тел малых

размеров. В частности, ламинарное течение имеют место в узких (капилляр-

ных) трубках, в слое смазки в подшипниках, в тонком пограничном слое, кото-

рый образуется вблизи поверхности тел при обтекании их жидкостью или га-

зом, и др. С увеличением скорости движения данной жидкости ламинарное

течение может в некоторый момент перейти в неупорядоченное турбулентное

течение. При этом резко изменяется сила сопротивления движению. Режим те-

чения жидкости характеризуется числом Рейнольдса

. Когда значение

меньше некоторого критического числа

Re , имеет место ламинарное тече-

ние жидкости; если

ReRe

, режим течения может стать турбулентным. Зна-

чение

Re зависит от вида рассматриваемого течения.

Число Рейнольдса, один из подобия критериев для течений вязких жид-

костей и газов, характеризующий соотношение между инерционными силами и

силами вязкости:

rlv

××

= , где

— плотность,

— динамический коэф-

фициент вязкости жидкости или газа,

— характерная скорость потока,

—

характерный линейный размер. Назван по имени О. Рейнольдса.

Поток жидкости, движущейся вдоль поверхности твердого тела, при оп-

ределенных числах

становится турбулентным в пристеночном слое. Воз-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

184

никновение вибрации обтекаемого тела в этом случае связано с непосредствен-

ным воздействием на поверхность тела пульсаций поля давлений, вызванных

пульсацией скоростей турбулентного пограничного слоя. Величина квадрата

среднеквадратичного давления, пропорциональная интенсивности вибрации,

зависит в четвертой степени от скорости потока, т. е. амплитуда пульсаций дав-

ления определяется динамическим напором. Спектр вибрации обтекаемой по-

верхности аналогичен спектру пульсаций давления на стенке.

Турбулентность вызывает пульсацию давления или скорости при прохо-

ждении потока через лопатки ротора, или подводящий и/или отводящий пат-

рубки. В этом случае преобладают низкочастотные колебания (частота колеба-

ний зависит от частоты вращения ротора, количества рабочих и направляющих

лопаток, опорных стоек и других конструктивных элементов) (Рисунок 7-28).

Рисунок 7-28 – Маска спектра вибрации при возникновении турбулентных

пульсаций давления

7.3.5. Кавитация

Существуют три режима движения жидкости: турбулентный, ламинар-

ный и кавитация. Качественное различие между режимами заключается в от-

ношении скорости движения молекул жидкости к скорости движения всего

объёма жидкости. При равенстве этих скоростей – ламинарный режим движе-

ния жидкости. При скорости движения молекул большей скорости движения

объёма жидкости – турбулентный режим. При скорости молекул меньшей, чем

скорость движения всего объёма, жидкости приходится разрывать молекуляр-

ные связи, образуются внутриводные полости-разрывы, имеем кавитационный

режим движения жидкости

Таким образом, при кавитации в толще жидкости появляются пустоты.

Это поток, который ещё “ламинарнее” ламинарного потока!

Существует несколько различных форм начальной стадии кавитации. В

лопастных (осевых и центробежных) насосах принято различать пузырьковую,

профильную и вихревую формы.

Процесс возникновения кавитационных импульсов давления от пузырь-

ковой кавитации схематически представляется следующим образом. В набе-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

185

гающем на тело потоке содержится очаг кавитации – пузырек. Попав в зону

разрежения вблизи обтекаемого тела, он начинает расти под действием растя-

гивающих напряжений. Рост продолжается до тех пор, пока кинетическая энер-

гия присоединенной к пузырьку массы воды полностью не израсходуется, т. е.

рост пузырька заканчивается за зоной разрежения; увеличивающийся пузырек

сносится потоком в область повышенного давления, где он начинает сокра-

щаться. Находящийся внутри пузырька газ оказывает демпфирующее влияние,

и пузырек, прежде чем захлопнуться, совершает несколько сжатий и расшире-

ний. Эти процессы сопровождаются выделением виброакустической энергии,

причем основная доля энергии излучается на стадии сжатия. Пузырьковая фор-

ма кавитации обычно развивается около тел с плавными обводами, например,

стоек водорезов.

Кавитация является одним из самых мощных источников вибрации и шу-

ма насосов. Причем на виброакустические характеристики насосов существен-

ное влияние оказывает уже начальная стадия кавитации, возникающая в не-

больших по площади областях.

Вихревая кавитация развивается в ядрах вихрей, образующихся на сво-

бодных концах лопастей осевых колес.

Возникновение перечисленных форм кавитации подвержено масштабно-

му эффекту и происходит при давлениях в зоне разрежения больших, чем дав-

ление упругости водяных паров. Под масштабным эффектом кавитации пони-

мается влияние не только геометрических размеров, но и величин скорости,

давления, температуры, степени насыщенности жидкости воздухом – вообще

всех параметров, которыми могут различаться потоки, обтекающие геометри-

чески подобные тела.

Из названных форм начальной стадии кавитации наибольшей виброаку-

стической мощностью обладают вихревая (в осевых насосах) и профильная (в

центробежных насосах). Эти формы кавитации по мере увеличения ее интен-

сивности проходят газовую и паровую стадии. При снижении давления (увели-

чении скорости потока) наступает такой момент, когда газовые пузырьки в ре-

зультате анизотропной направленной диффузии растворенного в воде газа на-

чинают резко расти в объеме. Происходит дегазация жидкости, которую часто

называют газовой кавитацией; так как при дегазации возникают импульсы дав-

лений, то рост пузырька имеет циклический характер. При дальнейшем пони-

жении давления, т.е. с увеличением растягивающих жидкость напряжеий, воз-

никает паровая стадия кавитации. Вибрация и шум, вызываемые кавитацией,

занимают широкий спектр частот.

Причем ранние стадии кавитации проявляются в высокочастотной части

спектра; с увеличением интенсивности кавитации спектр расширяется в область

средних и низких частот, в спектре виброускорения появляются частоты

(Рисунок 7-29, Рисунок 7-30) кратные лопаточной ( Lff

, где

– количе-

ство лопастей рабочего колеса). Когда кавитация переходит в срывную стадию,

низкочастотные вибрации бывают настолько сильными, что могут вызвать по-

ломку насоса.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

186

Рисунок 7-29 – Маска спектра вибрации при возникновении кавитации

Рисунок 7-30 - Типичный спектр при кавитации

Интенсивность (

) кавитационного шума насосов сильно зависит от ок-

ружной скорости колеса (

), которая может быть выражена соотношением

. Величина показателя

изменяется в зависимости от стадии кавитации.

В осевых насосах в начальный момент развития паровой кавитации

, а в зоне развитого кавитационного шума

. В центробежных

насосах величины

соответственно равны:

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

187

7.3.6. Вихреобразования и турбулентные пульсации давления в

объемных роторных насосах

Вихреобразования обусловлены взаимодействием рабочих элементов

этих насосов (шестерен винтов, пластин) между собой и корпусом. В основном

вихреобразования носят случайный характер. Спектр вибрации, вызываемой

вихреобразованиями, преимущественно высокочастотный, сплошной, обычно

маскируется другими более интенсивными источниками. Микропульсации дав-

ления в этих насосах так же, как и в лопастных, могут быть обусловлены тур-

булентностью потока жидкости.

В турбулентном пограничном слое возникают напряжения сдвига, кото-

рые вызывают деформацию элементарных объемов жидкости. Каждый такой

элемент представляет излучатель звуковой вибрации, причем излучение проис-

ходит за счет деформации элемента без изменения объема. На твердой границе

- на поверхности обтекаемого тела - при этом действуют хаотические пульса-

ции давления. Турбулентные пульсации давления в дозвуковом потоке обычно

не вызывают интенсивной вибрации. Спектр вибрации от турбулентных пуль-

саций давления в потоке жидкости занимает широкую область частот и в зна-

чительной степени неравномерен по интенсивности.

7.3.7. Аэродинамические и гидравлические воздействия

От взаимодействия кромочного следа сопел и рабочих лопаток Частота

взаимодействия равна произведению количества лопаток на частоту вращения

ротора (Рисунок 7-31). Она присутствует при работе насосов, вентиляторов и

компрессоров, обычно не является причиной возникновения дефектов.

Рисунок 7-31 – Маска спектра вибрации при воздействии

аэродинамических и гидравлических источников вибрации

Однако большая амплитуда этих колебаний и их гармоник может быть

вызвана несовпадением осей направляющего аппарата насоса или компрессора

и рабочего колеса. Такие же колебания вызываются при совпадении частоты

собственных колебаний и колебаний от аэро- и гидродинамических сил, что

приводит к возникновению высокочастотной вибрации. Высокочастотные ко-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

188

лебания могут вызываться колебаниями впускного и нагнетательного патруб-

ков, вызванных дефектами крепления, или при эксцентриситете ротора относи-

тельно статора.

7.3.8. Помпаж

ПОМПАЖ (франц. pompage), вредное явление, которое наблюдается при

работе лопастных компрессоров, вентиляторов и насосов и заключается в воз-

никновении пульсации подачи и давления газа в трубопроводной системе.

Центробежные компрессоры имеют ограниченный диапазон регулирова-

ния, который начинается от 50% ~ 70% максимального расхода, в зависимости

от конфигурации компрессора и типа воздействия на поток. На нижнем участке

диапазона регулирования может, по причине сильного дросселирования или

слишком высокого противодавления, произойти обрывание потока газа.

Обрывание потока газа ведёт к ударному сбросу нагрузки, последующему

новообразованию и обрыванию потока газа. Этот процесс полностью цикличе-

ски повторяется с частотой от около 0,3 до 7 Герц и называется помпажем. При

этом пульсирующая подача газа напоминает циклическую подачу поршневого

компрессора. При сильном помпаже нередко выходят из строя лабиринтные

уплотнения и опорные подшипники, при этом колебания ротора продолжаются

вследствие нарушения масляного клина в подшипниках. Основные направле-

ния вибрации – осевое и радиальное. При потере устойчивости в системе регу-

лирования расхода наиболее значительна вибрация в осевом направлении.

Различают три типа помпажа:

1) вращающийся срыв - результат потери устойчивости осесимметрично-

го течения на одной из ступеней или во всей проточной части компрессора, т.е.

происходит срыв потока с лопаток компрессора, в результате чего возникают

пульсации во всех газовых трактах;

2) скачкообразное уменьшение расхода газа и напора компрессора вслед-

ствие потери статической устойчивости потока в компрессоре. Если быть еще

более точным, то помпаж возникает за счет нарушения ламинарности (незавих-

ренности) газового потока на входе и в самом компрессоре. При этом поток га-

за как бы "запирается" на входе компрессора и его поступление уменьшается;

3) собственно помпаж в его классической форме (обрывание потока газа).

В компрессорах это явление сопровождается характерным звуковым эф-

фектом. Вдали от границы помпажа при большой подаче компрессор издает

резкий свистящий звук. Частота звуковых колебаний в одноступенчатом ком-

прессоре совпадает с частотой прохождения рабочих лопастей около непод-

вижных направляющих лопастей. По мере уменьшения подачи (при неизмен-

ном числе оборотов) вплоть до границы помпажа звук почти не изменяется. В

некоторых случаях он становится глуше, что вызывается ростом пульсаций в

потоке вследствие отрывного обтекания профилей. Подача, при которой вне-

запно появляются резкие периодические хлопки, сопровождающиеся обычно

выбросом газа из компрессора во всасывающий патрубок, определяет границу

помпажа. При дальнейшем уменьшении подачи (например, дросселированием)

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

189

сначало увеличивается частота хлопка, а затем появляются сплошной гул и

вибрации. Резкое колебание подачи вызывает существенное увеличение дина-

мической нагрузки на лопасти и диски машины, что при больших окружных

скоростях приводит к поломкам, являющимся причиной тяжелой аварии. По-

этому работа компрессора в области помпажа недопустима даже кратковремен-

но.

Помпаж, как правило, сопровождается сильной вибрацией и акустиче-

скими ударами. При этом динамические нагрузки на лопатки и подшипники

многократно возрастают, что ведёт к их разрушению, если компрессор не будет

немедленно выведен из процесса помпажа, а в спектре виброакустический ко-

лебаний появляются составляющие, которые кратны произведению частоты

вращения на количество лопаток рабочего колеса.

Защита от помпажа останавливает центробежный компрессор при распо-

знании помпажа или разгружает агрегат, для предотвращения повреждений

компрессора.

Пример помпажных явлений приведен на рис. 7.32, 7.33. Тренд виброу-

скорения (Рисунок 7-32) свидетельствует о повышении уровня виброактивно-

сти корпуса компрессора. В спектре виброскорости (Рисунок 7-33) присутству-

ет лопаточная гармоника, что является надежным признаком помпажа, однако

общий уровень виброскорости меньше установленного предела для данного

компрессора. Таким образом, общий уровень виброускорения является важным

параметром оценки состояния центробежного компрессора.

Рисунок 7-32 – Тренд виброускорения корпуса компрессора при помпаже

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

190

Рисунок 7-33 – Спектр виброскорости при помпаже компрессора.

7.3.9. Анализ сигналов

Вибросигнал (Рисунок 7-34) получен с переднего подшипника насоса, с

номинальной частотой вращения ротора 3000 мин

–1

, т.е. частота 1-

ой

оборотной

гармоники чуть меньше 50 Гц ( Гцf 77,49

Частота 8-

ой

гармоники совпадает с лопаточной частотой, т.к. количество

лопаток на рабочем колесе равно восьми. Если установить гармонический кур-

сор на частоту Гцf

398

, то можно увидеть наличие второй гармоники на

частоте 796 Гц, и третьей - на частоте 1194 Гц.

Появление гармоник лопаточной частоты свидетельствует о:

- пульсации давления в потоке;

- нарушении гидродинамики потока перекачиваемого продукта;

- возможном зарождении дефекта лопаток.

Пульсации давления в потоке и создаваемая ими вибрация

преимущественно носят случайный характер, и проявляется приблизительно с

постоянным уровнем в широкой полосе частот до 1000-2000 Гц с дальнейшим

снижением уровня на 6-12 дБ на октаву. При этом возникают колебания

корпусов, труб и рабочих лопаток.

Нарушения гидродинамики потока перекачиваемого продукта могут

проявляться в виде:

- вихреобразования в потоке;

- неоднородности потока в проточной части центробежных агрегатов;

- гидродинамической неуравновешенности;

- кавитации.