Вибродиагностика дефектов рабочих колес в потоке жидкости или газа
Содержание
Многообразие машин и механизмов периодического действия, в которых рабочей средой является жидкость или газ, по основным способам их вибродиагностики можно разделить на три основные группы – агрегаты с рабочими колесами, агрегаты рабочими узлами вращения, контактирующими друг с другом и/или с неподвижными частями, и агрегаты с рабочими узлами возвратно-поступательного действия. В агрегатах первого типа, прежде всего центробежных и осевых, основная вибрация от рабочих колес определяется центробежными силами, действующими на ротор с рабочими колесами, а также силами взаимодействия рабочих колес с потоком. В агрегатах второго типа, прежде всего винтовых и шестеренчатых, основная вибрация от рабочих узлов имеет кинематическое происхождение и определяется несоосностью и неровностями контактирующих через тонкий слой смазки вращающихся рабочих узлов. В агрегатах третьего типа, прежде всего поршневых нагнетателях и двигателях внутреннего сгорания, основная вибрация от рабочих узлов имеет импульсную природу, определяемую скачками давления в цилиндрах и сменой направления движения поршней.
Вибродиагностика агрегатов первого и третьего типа требует отдельного описания, вибродиагностика агрегатов второго типа имеет много общего с рассмотренной ранее диагностикой механических передач, а ее особенности могут учитываться при создании методик диагностирования агрегатов конкретных типов.
Ниже рассматриваются вопросы вибродиагностики проточной части агрегатов с вращающимися в потоке жидкости или газа рабочими колесами. Первая группа - турбины, осевые компрессоры, осевые насосы и т.п., не изменяющие направления движения потока. Вторая группа - агрегаты центробежного типа, часть дефектов которых обнаруживается по пульсациям энергии, затрачиваемой на изменение направления потока.
К дефектам, влияющим на состояние рабочих колес, относятся не только дефекты собственно рабочего колеса, но и опасные изменения зазоров между рабочим колесом и неподвижными частями агрегата, а также изменения свойств потока – его неоднородность на входе в рабочее колесо, кавитация в потоке жидкости или повышенная турбулентность потока газа (пара). Список дефектов, обнаруживаемых в проточной части осевых и центробежных агрегатов с рабочими колесами включает в себя:
-
неуравновешенность ротора с рабочими колесами,
-
несоосность вала и рабочего колеса (бой и перекос рабочего колеса),
-
несоосность опор вращения и корпуса проточной части - статический эксцентриситет зазора между корпусом и рабочим колесом (колесами), к этой группе дефектов можно отнести и осевое смещение рабочего колеса,
-
неоднородность потока на входе в рабочее колесо, в том числе из-за дефектов направляющего аппарата,
-
кавитация жидкости или повышенная турбулентность газа в зоне рабочего колеса.
-
дефект отдельных лопастей (лопаток) рабочего колеса,
-
износ опор вращения вала с рабочим колесом, приводящий к автоколебаниям ротора с рабочим колесом в потоке.
При диагностировании агрегата в целом, кроме перечисленных дефектов в проточной части, к списку обнаруживаемых дефектов добавляются несоосность роторов в агрегате, дефекты подшипников, дефекты приводов (или нагрузки). Признаки таких дефектов, как и признаки механической неуравновешенности ротора, в том числе и с рабочим колесом, рассматриваются в соответствующих разделах данного обзора. Ниже анализируются возможности обнаружения дефектов, возникающих при взаимодействии рабочих колес с потоком, формируемым в зоне рабочего колеса внутри корпуса агрегата, по вибрации подшипниковых узлов и, в некоторых случаях, по вибрации корпуса агрегата в зоне рабочего колеса, а также, в потокосоздающих агрегатах с электроприводом, по силовому току электродвигателя.
Основной проблемой обнаружения дефектов рабочих колес по вибрации агрегата является ее существенная зависимость не только от состояния рабочих колес, но и от условий формирования потока, значительно изменяющихся даже при минимальных изменениях нагрузки.
Один из основных дефектов рабочего колеса, не всегда влияющий на его ресурс, но изменяющий вибрацию агрегата на гармониках частоты вращения - его бой или перекос. Эти дефекты изменяют производительность лопастей (лопаток), и действующих на них сил реакции, которые приобретает зависимость от угла поворота рабочего колеса. При бое рабочего колеса период их действия – один оборот рабочего колеса, при перекосе – половина оборота. При этом растет и радиальная и осевая вибрация агрегата соответственно на частоте вращения и ее второй гармонике. Радиальная вибрация на частоте вращения при определенной нагрузке на агрегат может быть снижена при балансировке агрегата, осевая – сохраняется и является признаком дефекта рабочего колеса. Следует отметить, что наибольший рост осевой вибрации при дефектах рабочего колеса наблюдается в агрегатах центробежного типа, изменяющих направление действия потока. Аналогичный признак боя рабочего колеса проявляется и при дефекте одной из лопастей (лопаток) рабочего колеса, и для их разделения необходимо использовать дополнительные признаки.
Следующий из основных дефектов рабочего колеса – смещение оси его вращения относительно корпуса. Сближение рабочего колеса и корпуса приводит к нелинейному взаимодействию лопастей (лопаток) с локальным участком неподвижной поверхности и, как следствие, «задеваниям» рабочего колеса, даже если прямого контакта поверхностей нет. Соответственно, растет лопастная (лопаточная) составляющая вибрации рабочего колеса и корпуса, а также ее кратные гармоники. При осевом сдвиге рабочего колеса такое «взаимодействие» может происходить у рабочего колеса с направляющим аппаратом, и тогда частота взаимодействия равна произведению числа лопастей рабочего колеса и направляющего аппарата. Так, на рис.15.9. приведен спектр вибрации осевого вентилятора с осевым смещением рабочего колеса в сторону направляющего аппарата
Рис 15.9. Спектр вибрации мощного вентилятора с опасным смещением рабочего колеса в осевом направлении. Частота вращения – 12,5Гц, число лопастей рабочего колеса - 6, число лопастей направляющего аппарата – 4.
Лопастные (лопаточные) составляющие могут появляться и в спектре огибающей вибрации подшипников, рис. 15.10. Но поскольку случайная вибрация подшипниковых узлов является неразделяемой суммой составляющих, возбуждаемых силами трения в подшипниках, а также пульсациями давления в рабочей среде с дальнейшей передачей вибрации на подшипниковые узлы, количественную оценку дефектов рабочих колес при контроле вибрации подшипниковых узлов рекомендуется проводить по ее спектру. Для оценки состояния по спектру огибающей высокочастотной вибрации рекомендуется проводить измерения на корпусе агрегата в плоскости вращения рабочего колеса.
Рис. 15.10. Лопастные (лопаточные) составляющие в спектре огибающей вибрации подшипников
Лопастные составляющие в спектрах вибрации и спектрах огибающей вибрации агрегатов с рабочими колесами растут также при появлении кавитации в жидкости или неоднородности потока газа, но в этом случае резко растет и уровень случайной вибрации в любых точках ее контроля на неподвижных частях агрегата. Рост случайной вибрации в нескольких точках контроля вибрации на агрегате, исключая его двигатель в собственных опорах вращения, и является основным признаком кавитации в потоке жидкости или повышенной турбулентности потока газа.
Дефекты отдельных лопастей (лопаток), как и бой рабочего колеса, приводят к неуравновешенности ротора с колесом, пульсациям производительности агрегата и росту осевой вибрации на частоте вращения. Из дополнительных признаков, позволяющих разделить бой и дефект отдельной лопасти, следует выделить модуляцию высокочастотной вибрации корпуса агрегата в зоне рабочего колеса частотой вращения и ее гармониками из-за появления в зоне вращающейся дефектной лопасти «облака» повышенной турбулентности потока.
В агрегатах с рабочими колесами могут возникать автоколебания ротора в опорах вращения, прежде всего в подшипниках скольжения. Причины возникновения автоколебаний ротора в подшипниках скольжения и способы борьбы с ними рассмотрены ранее, в разделах по виброналадке роторного оборудования. Взаимодействие рабочего колеса с потоком жидкости или газа (пара) является дополнительным стимулом для их появления и может привести к снижению частоты автоколебаний. Наиболее сильное снижение частоты автоколебаний ротора с рабочим колесом имеет место в насосных агрегатах, где частота автоколебаний может снизиться до одной трети частоты вращения ротора, а в некоторых случаях и ниже. В подшипниках с толстым слоем смазки, поступаемой в подшипник под давлением, частота автоколебаний ротора редко синхронизируется с ½ частоты вращения, оказываясь чуть ниже половины частоты вращения. Автоколебания ротора колесами дополнительно снижаются по частоте из-за их взаимодействия рабочего колеса с потоком, и это снижение растет по мере повышения турбулентности потока в зоне рабочих колес, в том числе из-за дефектов отдельных лопастей (лопаток).
Оптимальные точки контроля вибрации агрегатов с рабочим колесами - подшипниковые узлы или щиты, в которые они установлены, направления измерения радиальные и на одной опоре – осевое. Кроме этого дополнительно может контролироваться вибрация корпуса в плоскости вращения рабочего колеса, в зоне наибольшей скорости потока.
Содержание
