一家化学加工厂的炉水循环泵发生了高振动和轴承故障。BETVICTOR体育官网本应用采用密封组合泵和电机，由于高压和高温水被循环。这种振动和磨损要求电机大约每年检修一次，费用超过10万美元。自20世纪90年代末首次安装泵以来，这些问题一直在发生。BETVICTOR体育官网机组初始调试后的调查表明，测量的振动频率为177赫兹(Hz)，也与转子的第一弯曲模态频率相匹配;然而，激发这种模式的现象还没有被最终确定。
当时的主要理论是，弯曲模态是由定子槽激发到转子杆通过频率。消除这种强迫频率需要重新设计轴以改变固有频率或重新设计定子和转子以改变槽通频率。因此，化学加工厂决定保留设计原样，并接受电机需要经常维修的事实。
最终，新的人员接管了工厂这些泵的管理，并决定重新调查振动问题。BETVICTOR体育官网工程师被要求协助分析根本原因。首先，研究人员检查了泵吸入法兰上游的吸入管路中90度弯头的影响。考虑到这个弯头靠近叶轮眼，假设这个弯头在现场检测到的频率(177 Hz)下引起了流动诱导振动。
工程师们将泵的模型导入计算流体动力学(CFD)软件中，以分析吸入弯头的效果。建造了两种模型，一种带有90度弯头，另一种带有直管入口到吸入法兰。两种型号都有相同的泵壳，叶轮和扩散器。
在主要工作点及其周围的几个流量下进行了模拟。结果评估了流动诱导振动的指示，如放电压力的脉动和/或轴向或径向液压载荷的脉动。有趣的是，所有的模型都显示了一个明显的径向负荷脉动，恰好发生在177 Hz。这种脉动的幅度不受弯头存在的影响，有效地消除了它作为振动的根本原因。这些模拟还表明，振动的原因是由泵本身的一种现象引起的，而不是由电机或管道系统的其他地方引起的。
这导致了对现有液压设计的彻底审查，特别关注叶轮和扩压叶片的组合。这是一个定制的液压设计，专门为这个应用程序创建。本设计采用混流6叶片叶轮和径向7叶片扩压器。这种组合最初可能是基于向扩散器中添加一个比目前在叶轮中更多的叶片的简单实践而选择的。
对液压设计文献的回顾，特别是Johann F. Gülich的“离心泵”，表明这种6和7叶片组合是要避免的，因为它经常会导致非零液压径BETVICTOR体育官网向载荷，并在叶轮叶片通频处引起横向振动，在这种情况下是177 Hz。叶轮叶片通过频率的计算方法为叶轮叶片数乘以泵的运行速度(1775转/分钟[rpm])。由于轴的第一弯曲模态频率也是177 Hz(基于早期调试后测试的结果)，该模态是由液压径向载荷激发的，这导致了现场测量的高振动。
进一步处理CFD数据，绘制径向载荷矢量随时间的变化规律。这表明径向载荷以类似摆的性质振荡，摆动约120度。振荡频率为177赫兹。这种径向载荷振荡不仅激发了轴的弯曲模式，而且还可能破坏了径向轴承内流体膜的形成，导致轴承加速磨损和轴承过早失效。为了消除这种振荡径向负荷行为，需要重新设计扩压器或叶轮，采用不同数量的叶片。由于叶轮达到了预期的性能，重新设计需要进行性能测试和修整，扩散器显然是重新设计的选择。
根据Gülich的指导，6叶片叶轮可以与8叶片扩散器或10叶片扩散器配对。这些组合不太可能在叶片通频处引起振动，因此不会激发轴的弯曲模式。
之所以决定使用8叶片扩散器，是因为与10叶片扩散器相比，这将增加更少的表面积，因此，泵的整体性能(就扬程和效率而言)将更接近原始泵的性能。这是工厂的一个关键考虑因素，因为他们不想改变系统的负荷头和流程。
8叶扩散器的设计(图1)在很大程度上基于原来的7叶扩散器的设计，因为叶片角度与叶轮很好地匹配。为了尽量减少对泵性能的不利影响，8叶片扩散器叶片通道的组合喉道面积需要与原来的7叶片扩散器相匹配。为了补偿流道中额外的金属，叶片被略微变薄(0.075英寸)，叶片通道的高度略微增加(0.020英寸)。这保证了组合喉道面积不发生变化，因此，增加第8个叶片时，流动不会受到无意的限制(图2)。
使用这个新的8叶片扩散器创建了一个CFD模型。除了新的扩散器外，该模型与用于原始评估的模型相同。
模拟结果表明，177 Hz时的径向载荷幅度减小了92%，表明振动行为已经消除(图3)。径向载荷矢量随时间的变化图证实了这一点;此时载荷作用于一个接近恒定的方向，只有随机发生的轻微方向变化，而不是一个恒定的频率(图4)。由于该载荷作用于一个接近恒定的方向，它不会激发轴的固有频率，并且它会使滑动轴承中的流体膜完全建立。这将导致延长轴承寿命。
根据模拟结果，化工厂购买了一个扩散器，在下一次泵大修期间安装，以验证CFD预测，即振动将被消除。该扩散器是完全由计算机数控(CNC)内部加工的，并安装在泵中。在泵安装和通电后，用户进行了振动读数，并确认177 Hz的振动已经消除。随后，他们又购买了两个扩散器，使所有三个泵都具有新的配置。BETVICTOR体育官网
由于这些新型扩散器消除了高振动和过度的轴承磨损，电机大修的频率将大大降低，最多每七到八年进行一次，在每个电机的使用寿命中节省超过300万美元。
总的来说，从创建初始模型来研究吸入弯头，到发布新扩散器的加工图纸进行制造，这个项目用了不到两个月的时间。这个项目的总成本，包括三个新的扩散器，比一个电机大修的成本还少。