離心壓縮機組負(fù)載試車時振動故障的排除

文/沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 郭楊

離心壓縮機組負(fù)載試車時振動故障的排除

文/沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 郭楊

離心壓縮機廣泛應(yīng)用在工業(yè)的眾多領(lǐng)域，隨著工業(yè)技術(shù)水平的提高，對離心壓縮機相關(guān)性能參數(shù)的要求也越來越高，這對于機組的平穩(wěn)運行提出了挑戰(zhàn)。本文就某離心壓縮機組帶負(fù)載試車時產(chǎn)生的振動故障，從振動現(xiàn)象出現(xiàn)時運行參數(shù)的變化，以及振動瀑布圖、頻譜圖的記錄入手，采用經(jīng)驗分析的方法，初步判斷振動是由氣體激振引起的，又通過理論計算和機理分析得到了進一步的證實，經(jīng)過采取針對性的解決措施后，再次帶負(fù)荷試車，振動故障排除了，振動值在要求范圍內(nèi)且運行平穩(wěn)。對類似產(chǎn)品的設(shè)計、類似的振動故障的診斷具有借鑒作用。

離心壓縮機；氣體激振；密封

1 振動現(xiàn)象

某透平離心壓縮機組，工作轉(zhuǎn)速為10636rpm，一段進口壓力為0.5MPa，二段出口壓力為2.7MPa，三段出口壓力為6.9MPa。該機組在廠內(nèi)進行機械運轉(zhuǎn)試車，運行平穩(wěn)。機組在用戶現(xiàn)場負(fù)荷試車時，中壓缸達到設(shè)計轉(zhuǎn)速后，增加負(fù)荷，當(dāng)壓力升到5.4MPa時，軸振動突然增大至報警值，試車被迫停止。為了查找原因，再次試車，結(jié)果與前一次（的現(xiàn)象）相同。利用頻譜采樣，發(fā)現(xiàn)幅值譜中除了基頻（工頻）成分外，還有低頻成分，且低頻振幅大于工頻的振幅。障

表1 離心壓縮機組設(shè)計及故障時的參數(shù)對比

圖1 振動瀑布圖

圖2 頻譜圖

2 振動故障的原因分析

離心2 壓 縮振機動發(fā)故生大障的的振原動，因一分定是析由于作用力引起的。針對于離動故故動心動2故障 壓障故故 障的縮振障障機的原2動的 來的2原因 故 說原振原 因分可障振因動因分能析的動分故存分析原故在析障析因的障的作分的原用析原力因為因分：分附析加析件（如葉輪等）的不平衡力（強迫振動）；密封氣體激振力（自激振動）。

2.12 .附1 加附件加的件不的平不衡平力衡力件的件加的2不.的件不1平 不的平附葉衡平不衡加輪2力平衡.力件等21力衡. 的轉(zhuǎn)1附力 不動

附加平的

加件衡部

件的力件的不，不平在平衡加衡力工力的過程中，一定會存在不平衡量。當(dāng)加件的不平衡力

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，不平衡量就會對轉(zhuǎn)子有一個交變的力的作用，這個力被稱為不平衡力。這種振動形式屬于強迫振動，即系統(tǒng)在外界激振下所產(chǎn)生的振動。不平衡力作用下的轉(zhuǎn)子的動力學(xué)公式，可以簡寫為：其中：ω

——轉(zhuǎn)子角速，ωk——轉(zhuǎn)子固有頻率，φ——相位差。由上可知

：當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子的固有頻率（一般被稱為臨界轉(zhuǎn)速）時，振幅值會很大（由于阻尼存在；若系統(tǒng)沒有阻尼則振幅為無窮大），此時，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。為了保證轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運行，工作轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速之間必須有一定的隔離欲度，以來滿足轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)需要。根據(jù)2.

上2密述封的氣事體故激機振組力的情況描述：廠內(nèi)離心壓縮機機械運轉(zhuǎn)試驗，機組運行平穩(wěn)；在現(xiàn)場，機械運轉(zhuǎn)試驗和空載試驗，機組運行平穩(wěn)。API中提到，密封的作用力，對于轉(zhuǎn)子不平衡力的分析，是可以忽略的。所以，完全可以由轉(zhuǎn)子的機械運轉(zhuǎn)試驗和空載試車來判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生的較大的振動，是否是由于不平衡量引起的。由此，可以得出結(jié)論：導(dǎo)致機組振動過大的原因，不是由于不平衡響應(yīng)引起的。2.2 密封氣體激振力3 振動故障的理論透平機械

轉(zhuǎn)子中的密封在防止流體泄漏的同時，還會產(chǎn)生重要的流體激

振力，從而使轉(zhuǎn)子的振動過大，影響3轉(zhuǎn).1子 轉(zhuǎn)的子穩(wěn)失定穩(wěn)性（的平定穩(wěn)義運和衡行）。氣流激振屬于自激振動范圍（系統(tǒng)受到其自身運動誘發(fā)出來的激勵作用而產(chǎn)生的、維持的振動）。此時，系統(tǒng)包含有補充能量的能源。這種振動不能由動平衡的方法消除。密封間隙氣體力與設(shè)備工作介質(zhì)的壓力和負(fù)荷變化相關(guān)。密封氣體激振失穩(wěn)振動有一個門檻負(fù)荷，超過此負(fù)荷，立即激發(fā)氣體振動；相反，氣流激振在小于某一負(fù)荷下會消失。氣流激振在負(fù)荷增加過程中，易重復(fù)發(fā)生。另外，氣流激振的振動頻率等于或者略高于一階臨界轉(zhuǎn)速。

由此，可以得出氣體密封力的特點：（1）隨著介質(zhì)的壓力的增加，振動越大。（2）密封前后的壓差越大振動越大。（3）密封的間隙越小，越易發(fā)生振動。（4）轉(zhuǎn)子的渦動頻率為第一階臨界轉(zhuǎn)速。

表2 密封氣體激振情況描述

根據(jù)現(xiàn)場的描述：機械運轉(zhuǎn)試車時，運行平穩(wěn)；現(xiàn)場有介質(zhì)輸入時，進出口的壓力達到一定的值時，突然振動過大。機械運轉(zhuǎn)試驗，是指在機組沒有介質(zhì)情況下進行的，密封內(nèi)的氣體激振力也就不存在。當(dāng)現(xiàn)場有介質(zhì)的輸入時，密封的間隙內(nèi)就會有密封氣體激振力的產(chǎn)生，而且隨著壓差的增加突然振動變大；當(dāng)減小壓差時，機組的振動消失。通過頻譜圖的測試也可以看出，振動的頻率在一階臨界轉(zhuǎn)速處。這些現(xiàn)象與密封氣體激振導(dǎo)致的失穩(wěn)情況很一致，所以，可以得出結(jié)論該機組的振動過大，是由于密封氣體激振引起的。

3 振動故障的理論計算及機理分析

3.1 轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的定義和衡量

當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到瞬時的一個激勵，若系統(tǒng)的阻尼足夠大，則這種自由振動可以很快的就衰減，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是穩(wěn)定；若系統(tǒng)的阻尼不足，則系統(tǒng)的自由振動會越來越大，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)。

選取一個單自由度系統(tǒng)來說明一下問題。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自由振動方程為：

其中m為質(zhì)量；c為系統(tǒng)的阻尼；k為系統(tǒng)的剛度；x為轉(zhuǎn)子的位移。一般將連續(xù)兩個振幅的比值取對數(shù)，

該數(shù)被稱為對數(shù)衰減率，通過對數(shù)衰減率的正或者負(fù)就可以來描述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是穩(wěn)定還是不穩(wěn)定的了：

轉(zhuǎn)子的自由振動隨時間可能的變化曲線見圖3和圖4轉(zhuǎn)子的自由振動時，轉(zhuǎn)子會按照系統(tǒng)的固有頻率來做周期行的運動，由于阻尼的存在，周期運動的幅值會改變的。若系統(tǒng)是穩(wěn)定的，即阻尼力較大，則振動幅值逐漸衰減；若系統(tǒng)不穩(wěn)定，即阻尼力做功不能消耗掉系統(tǒng)內(nèi)部的力，則振動幅值會越來越大。

圖3 穩(wěn)定系統(tǒng)的自由振動迅速衰減

圖4 不穩(wěn)定系統(tǒng)的自由振動迅速增加

API617相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)中規(guī)定，對數(shù)衰減率應(yīng)該大于0.1，則轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 理論計算

穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出：發(fā)生激振問題的機組，利用軟件計算的結(jié)果，對數(shù)衰減率小于API617中的要求，即大于0.1，所以可以得出結(jié)論，該產(chǎn)品存在發(fā)生氣體激振的危險，理論計算穩(wěn)定性不滿足要求。

3.3 振動機理分析

轉(zhuǎn)子受到外界的干擾時，轉(zhuǎn)子除了繞自身軸線轉(zhuǎn)動外，還可能以一定的角速度繞平衡位置渦動。密封氣體激振力的特點是，一個方向的位移可以引起兩個方向的力的作用，即合力并不是沿著位移的方向的。所以，通過主動力系數(shù)和交叉動力系數(shù)兩種參數(shù)來表達密封氣體激振力的這個特點。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞軸心做小撓度運動時，其動力方程可以表示成：

其中K、C為密封的主動力系數(shù)；k、c為密封的交叉動力系數(shù)。

圖5 軸頸渦動受力示意圖

圖6 軸蜂窩密封圖片

其中切向力是推動轉(zhuǎn)子進行渦動的力，一般通過轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的有效阻尼和有效剛度來進行定義，來量化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特性：

由3.2，3.3和3.4式可知：若想提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性可以通過改善剛度、阻尼以及密封的交叉耦合剛度。對應(yīng)于軸承、密封和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)這幾個方面來進行完善。

密封結(jié)構(gòu)的更改，通過改變密封的形式：

——提高密封的阻尼；

——減小密封的交叉耦合剛度。

減小密封的氣體激振力：減小密封的進口氣流周向速度

——密封進口處理。

軸承的影響：

——增加軸承的阻尼。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響：

——提高轉(zhuǎn)子的剛性。

4 采取的措施

大型離心式壓縮機組的密封常用迷宮式密封（又稱梳齒密封）。氣體在迷宮密封中的流動是一種復(fù)雜的三維流動。當(dāng)轉(zhuǎn)子因撓曲、偏磨、不同心或旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦動運動時，密封腔內(nèi)的周向間隙將會不均勻，即使密封腔內(nèi)人口處的壓力周向分布是均勻的，在密封腔的出口處也會形成不均勻的周向壓力分布，從而產(chǎn)生一個作用于轉(zhuǎn)子上的合力，此激振力會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運動失穩(wěn)，發(fā)生異常振動。

4.1 密封結(jié)構(gòu)的改進—蜂窩密封代替迷宮密封

為了增加密封的穩(wěn)定性，國內(nèi)外經(jīng)常采用的方式是發(fā)展阻尼密封技術(shù)即蜂窩密封代替迷宮密封。蜂窩密封是一種常見的阻尼密封，其結(jié)構(gòu)特點是具有光滑的轉(zhuǎn)子和粗糙的定子面。由于粗糙度，使得這種密封擁有比迷宮密封大的阻尼系數(shù)，同時還能削弱密封內(nèi)的周向速度，進而減小了密封的交叉剛度。這就通過兩個方面：增加密封內(nèi)部的阻尼和減小密封的交叉耦合剛度，兩方面都可以提高密封的有效阻尼，從而提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。是使用了蜂窩密封代替原來的迷宮密封，而解決了密封氣體激振問題。

4.2 減小密封進口氣流的周向速度

在葉輪機械中，由于各部件的旋轉(zhuǎn)作用或設(shè)計時就帶有預(yù)旋，密封進氣口的氣流都會帶有不同程度的周向速度。密封內(nèi)較大的周向速度會對轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響。這是因為進口預(yù)旋對密封內(nèi)周向速度的發(fā)展起著重要的作用，而周向速度的增大，會加大密封系統(tǒng)的交叉耦合剛度，根據(jù)式3.4可知，交叉剛度的增加，有效阻尼就會相應(yīng)的減小。

5 結(jié)論

應(yīng)用經(jīng)驗分析和理論計算機理分析兩種方法，成功地排除了某離心壓縮機組用戶現(xiàn)場帶負(fù)荷試車時產(chǎn)生的振動故障。首先針對試車過程的運行參數(shù)，振動出現(xiàn)時運行參數(shù)的變化以及頻譜圖的記錄，采用經(jīng)驗分析的方法，初步診斷為機組振動故障的原因是密封氣體激振引起了轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)而造成的;又應(yīng)用理論計算和振動機理的分析，進一步證實了經(jīng)驗分析的結(jié)論。通過采取改變密封的進口速度方向和密封的形式等有針對性的解決措施，再次帶負(fù)荷試車，振動數(shù)值符合要求，機組運行平穩(wěn)。

實踐證明，本文的經(jīng)驗分析和理論計算診斷出的振動原因是準(zhǔn)確的，采用的解決措施是恰當(dāng)?shù)?，有效地解決了氣體激振所造成的機組振動故障，從而保證離心壓縮機組正常平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，為類似產(chǎn)品的設(shè)計、類似的振動故障的診斷具有借鑒作用。

責(zé)編/魏曉文

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[6]劉士學(xué)，方先清.透平壓縮機強度與振動[M].西安交通大學(xué)，1996.

該項目2013年為沈鼓集團“講理想、比貢獻”項目，并評為一等獎。