3.2.7. Проблемы гидравлики и аэродинамики

Русов В.А. "Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам" 2012 г.

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Проблемы диагностики особенностей протекания гидравлических и аэродинамических процессов в специализированном вращающемся оборудовании также являются предметом пристального внимания и приложения знаний для практических специалистов по вибрационной диагностике состояния и поиска дефектов. Это вполне объяснимо, если учесть, что в обширной гамме эксплуатируемых в производстве вращающихся агрегатов различного назначения значительную долю составляют насосы для перекачки различных жидкостей, вентиляторы, дымососы, компрессоры для перекачки и сжатия газов. Многообразие типов и конструкций такого оборудования не поддается учету.

Все проблемы, приводящие к возникновению специфических вибраций в таком оборудовании, исходя из основных причин их возникновения и локализации, можно разделить на две основные группы.

  • Проблемы, связанные с особенностями движения жидкостей и газов в проточных частях перекачивающего оборудования. Такие проблемы могут также возникать как во всасывающем аппарате, так и в выходной зоне насосов, вентиляторов и компрессоров.
  • Проблемы, обусловленные особенностями конструкции перекачивающего оборудования. Они обусловлены конструктивным исполнением рабочих колес нагнетателей и встроенных направляющих аппаратов.

Основная информация по диагностике таких дефектов, основанная на анализе вибрационных сигналов, зарегистрированных на опорных подшипниках насосов и вентиляторов, приведена в данном разделе методического руководства.

3.2.7.1. Лопаточная вибрация

Данный тип специфической вибрации возникает из-за особенностей механической конструкции насосов и вентиляторов. Несмотря на кажущуюся непрерывность потока перекачиваемой жидкости или газа, практически всегда имеет место некоторая дискретность, обусловленная элементарными объемами внутренних камер насосов и вентиляторов. Наиболее часто величина такого элементарного объема определяется возможностями одной лопатки рабочего колеса. По этой причине такая вибрация и называется лопаточной.

Лопаточная вибрация, регистрируемая на опорных подшипниках насоса или вентилятора, есть итог взаимодействия лопаток вращающегося ротора с неподвижным направляющим аппаратом. После «выгрузки» лопаткой рабочего колеса элементарного объема рабочей жидкости или газа, возникает определенный динамический импульс в конструкции насоса или вентилятора.

Можно несколько иначе определить причину возникновения лопаточной вибрации во вращающемся оборудовании - это вибрация, наводимая в насосах, вентиляторах и компрессорах в процессе прохождения рабочих лопаток колеса насоса мимо какого - либо препятствия в проточной части или элемента конструкции. Чаще всего таким элементом конструкции является лопатка неподвижного направляющего аппарата, или же конструктивная граница самого «выкидного» канала насоса.

Эти два объяснения причин возникновения лопаточной вибрации в насосах и вентиляторах не противоречат друг другу, хотя внешне значительно различаются. По этой причине читатель может выбрать ту, которая ему больше нравиться, и в большей степени соответствует его пониманию причин возникновения лопаточной вибрации.

Лопаточная, или иногда ее еще называют лопастная, частота является синхронной гармоникой оборотной частоты вращения ротора (рабочего колеса), и определяется конструктивными параметрами оборудования. Численно частота лопаточной гармоники рассчитывается как произведение количества  лопаток на рабочем колесе насоса или вентилятора на оборотную частоту вращения ротора.

Гармоники лопаточной частоты в спектре вибросигнала всегда нормально присутствуют во всех работающих насосах, вентиляторах, компрессорах и т. д. Причина понятна – это заложено в принцип действия перекачивающих механизмов.

Рис. 3.2.7.1. Спектр вибрации насоса с 6 лопатками при повышенных лопаточных вибрациях При небольшой собственной амплитуде гармоники вибрации с лопаточной частотой,  их наличие является конструктивным свойством оборудования, и не служат однозначным признаком наличия проблем в насосе или в вентиляторе. Особого внимания они начинают заслуживать при определенных дефектах состояния и эксплуатации, когда амплитуда гармоники лопаточной частоты начинает возрастать.

В этом случае специалисту по вибрационной диагностике необходимо принимать решение по двум очень важным вопросам - является ли выявленное увеличение амплитуды лопаточной гармоники признаком возникновения в оборудовании дефекта, и можно ли такое оборудование эксплуатировать дальше или уже необходимо принимать экстренные меры по выводу оборудования их эксплуатации. 

На рисунке 3.2.7.1., для примера, показан спектр от вибросигнала с подшипника насоса в вертикальном направлении, в котором амплитуда гармоники лопаточной частоты, и ее «окружение», указывают на наличие в насосе достаточно серьезного дефекта в его проточной части.

Наибольшее значение для процесса диагностики наличия дефекта, и определения уровня его развития, на приведенном на рисунке спектре вибросигнала имеют:

  • Существенное увеличение амплитуды лопаточной гармоники относительно амплитуды оборотной гармоники частоты вращения насоса. Следует еще раз заметить, что конкретных количественных рекомендаций по этому вопросу нет. Основной причиной этого служит большое удаление вибродатчика, установленного на опорном подшипнике, от рабочей зоны насоса, где и возникают лопаточные вибрации.
  • Появление в спектре вибрационного сигнала, наряду с первой гармоникой лопаточной частоты, второй гармоники лопаточной частоты, и, может быть, и третьей гармоники. Такая картина чем-то напоминает признаки механического ослабления, при котором количество гармоник может быть большим. Именно это и происходит при проблемах в проточной части, и хотя бы немного увеличенном зазоре в опорных подшипников. Также имеет место достаточно много гармоник, но чаще всего зарегистрировать их мы не можем, т. к. велико затухание высокочастотных гармоник внутри проточной части насоса.
  • При наиболее сложных и развитых дефектах лопаточного аппарата имеет место возникновение боковых гармоник вокруг гармоники лопаточной частоты, сдвинутых на шаг по частоте, равный оборотной частоте ротора.

Большая амплитуда лопаточной вибрации и особенно появление ее боковых гармоник может возникнуть в насосах в том случае, когда в насосе или в проточной части имеются какие - либо конструктивные и эксплуатационные несимметрии. Простейшим примером такой несимметрии является случай, когда интервал по окружности рабочего колеса между лопастями рабочего колеса при его изготовлении оказывается выполненным не одинаковым. При вращении такого рабочего колеса насоса на спектре вблизи гармоники лопаточной частоты возникают боковые гармоники. Аналогично меняется картина вибрационных процессов в проточной части насоса при «выкрашивании» части лопатки, или ее рабочей поверхности по тем, или иным причинам.

Причина возникновения боковых гармоник вблизи основной частоты лопаточной гармоники, и производных от нее гармоник, достаточна проста, и уже обсуждалась выше, но для других типов вращающегося оборудования. При прохождении дефектной зоны рабочего колеса мимо «характерного элемента» в проточной части насоса, частота вращения ротора насоса будет иметь в своем составе небольшой скачок. Сначала ротор может немного «замедлится», а затем он должен обязательно немного «ускорится» для восстановления первоначальной скорости вращения.

В зависимости от типа дефекта в рабочем колесе динамическая картина процессов может быть и обратной. Возможен вариант, когда ротор насоса сначала «ускорится», а затем «замедлится». Эти небольшие изменения скорости приведут к появлению в спектре вибросигнала одной или нескольких пар боковых гармоник, которые будут располагаться слева и справа от лопаточной частоты.

Шаг смещения боковых гармоник от основной лопаточной частоты идеально изготовленного ротора численно равен оборотной частоте вращения ротора. При неодинаковом шаге лопаток по окружности, или наличии иной несимметрии, например неодинаковом окружном шаге входных перегородок на входе в «улитку», шаг боковых гармоник слева и справа от лопаточной частоты может немного различаться, и определяться типом и величиной имеющейся в роторе несимметрии. На рисунке 3.2.7.1 хорошо виден такой неравномерный шаг. Несимметрия рабочего колеса насоса на приведенном спектре значительна, т. к. у лопаточной частоты уже появилась даже вторая боковая гармоника.

Вопрос о величине аварийного уровня лопаточной вибрации необходимо решать для каждого типа насоса отдельно, т. к. в каждой конструкции затухание вибросигнала на пути от колеса до точки установки вибродатчика различается. Этот уровень зависит так же от типа перекачиваемой жидкости и даже (и очень сильно!) от режима работы насоса. Более правильно, с методической точки зрения, сравнивать амплитуду лопаточных гармоник не с оборотной гармоникой частоты вращения ротора, а с амплитудами боковых гармоники лопаточной частоты. Еще более точно сравнивать эту амплитуду с амплитудой, которая было измерена ранее, и на полностью исправном насосе.

Для первого сравнения можно опираться на соотношение - если боковые гармоники превышают, по амплитуде, 10 % от величины лопаточной гармоники, то в данном агрегате высока вероятность наличия того или иного дефекта в проточной части. Специалист по диагностике должен серьезно подойти к исследованию гидравлических (аэродинамических) проблем в данном агрегате.

Высокая амплитуда лопаточной частоты и боковые гармоники могут быть сгенерированы в насосе или компрессоре при значительном износе рабочего колеса и проточной части, при значительном ослаблении сварных и клепаных конструкций. Такая же картина в спектре вибросигнала может возникнуть в насосе и при трещине в лопатке, при неодинаковом угле атаки лопаток. Еще типичной причиной появления большой лопаточной частоты может быть резкий изгиб выходной трубы, препятствующий нормальному течению жидкости, т. е. высокое гидравлическое сопротивление напорного трубопровода.

Достаточно часто гармоника лопаточной частоты может увеличиться и в том случае, когда ротор насоса или вентилятора расположен внутри проточной части эксцентрично. Спектральная картина всех описанных дефектов примерно одинакова и соответствует картине, приведенной на рис. 3.2.7.1.

Целый класс проблем гидравлики составляют резонансы в проточной части, приводящие иногда к очень большим вибрациям в насосах. Эти вопросы, а также вибрации насосов, работающих в «анормальных» режимах, за пределами расчетных характеристик, в данном методическом руководстве не рассматриваются из-за его краткости и ограниченного объема.

3.2.7.2. Турбулентность потока

В зависимости от типа течения потока в трубопроводах и в проточной части насосов обычно различают спокойное, ламинарное течение, и завихренное, турбулентное. Турбулентное течение является основным в насосах и вентиляторах, и возникает как результат вращения рабочего колеса. Большое влияние на возникновение турбулентности оказывают трубопроводы, в которых турбулентность возникает в изгибах трубопроводов, наводится в местах стыков, уплотнений, задвижек.

Турбулентность течения жидкости или газа приводит к появлению специфических гармоник в спектре вибрации, которые могут быть зарегистрированы на опорных подшипниках контролируемого насоса или вентилятора. Практическим, «жизненным» примером возникновения таких вибраций, служит «завывание» ветра в трубах (по аэродинамическим причинам), или всем известные вибрации и удары в водопроводных трубах в жилых домах, возникающие при не полностью открытых кранах, когда образуется значительный перепад давлений (гидравлические причины возникновения вибраций). Эти все характерные, достаточно часто встречающиеся в быту шумы и вибрации, имеют достаточно низкие частоты.

Аналогичные процессы вибрации происходят и в промышленных вентиляторах и насосах. Турбулентное течение часто происходит в трубах со значительными перепадами давления или скорости прохождения воздуха через вентилятор или рабочее соединение трубопроводов или коробов. Это и является основной причиной турбулентности потоков.

На спектре вибрации насоса с сильной турбулентностью потока в проточной части, всегда имеется сравнительно низкочастотная зона, в которой сосредоточены все эти вибрации, вызванные наличием гидравлических завихрений. Частотное «расположение» этой зоны турбулентности в спектре вибросигнала несколько различно в каждом агрегате, и зависит от его конструкции, и присоединенных трубопроводов.

Рис. 3.2.7.2. Спектр вибрации насоса с турбулентностью потока рабочей жидкости В большинстве практических случаев эти вибрации обычно располагается в диапазоне от одного герца до примерно 40 Гц. Реальная картина формы, мощности и т. д. отдельных вихрей постоянно меняется. В результате сам процесс турбулентности является нестационарным и несинхронным, поэтому явных пиков гармоник в этой частотной зоне нет, а есть общее поднятие с «блуждающими пиками».

Все эти рассуждения иллюстрируются рисунком 3.2.7.2., на котором приведен пример спектра вибрации насосного агрегата с сильной турбулентностью потока в выходном трубопроводе, возникшей из-за не полностью открытой выходной задвижки.

3.2.7.3. Кавитация

Дефект особенностей протекания рабочей жидкости через насос, называемый кавитацией, достаточно часто встречается в практике. Картина возникновения процесса кавитации в насосах достаточно проста. Это эффект «схлопывания» газовых пузырьков в жидкости в проточной части насоса, в основном на лопатках рабочего колеса. Эти газовые пузырьки возникают в зоне разрежения на входе насоса и «исчезают» в рабочей зоне при «сжатии» потока жидкости рабочим колесом.

Рис. 3.2.7.3. Спектр вибрации насоса с эффектом кавитации во всасывающем аппарате Кавитация является вредным явлением, т. к. при схлопывании пузырьков происходит разрушение внешней поверхности лопаток рабочего колеса, пусть оно даже изготовлено из сверхпрочного материала. Исчезновение каждого пузырька газа по своему воздействию может быть приравнено к микровзрыву на поверхности рабочего колеса. Итоги действия кавитации хорошо видны при разборке насосов в процессе ремонтов.

Процесс возникновения пузырьков является достаточно сложным и зависит от многих параметров потока жидкости. Не вдаваясь в физические и математические подробности, скажем, что наиболее часто кавитация в насосах возникает при недостаточном давлении на всасывающей стороне, при своеобразном «голодании» насоса и при большой концентрации растворенных газов в жидкости.

Кавитация достаточно хорошо слышна ухом при прослушивании при помощи деревянной сухой палочки. Когда в насосе происходит процесс кавитации, то это часто звучит так, как будто гравий с песком проходит  через проточную часть насоса.

При схлопывании большого количества пузырьков разного размера и в разных местах проточной части насоса, мы имеем итоговую вибрацию в виде суммы импульсов, имеющих различную частоту и амплитуду. В результате на спектре вибрационного сигнала мы имеем своеобразное поднятие, захватывающее достаточно широкую полосу частот. Обычно это происходит в высокочастотной части спектра регистрируемого сигнала. Поскольку на процесс движения пузырьков большое влияние оказывают рабочие лопасти колеса, то довольно часто вибрация от кавитации «окружает» высокие гармоники от лопаточной частоты насоса.

Кавитация в насосе может привести к тяжелым последствиям, если не будет вовремя устранена. Особенно опасна кавитация в зоне и непосредственно на лопастях. В целью уменьшения кавитации необходимо разнообразными мерами повышать давление на входе в насос.