齒式壓縮機(jī)氣流激振故障診斷與治理

閆鋒　王鐵夫　馬文堅(jiān)

摘要：文章研究了針對(duì)齒式離心壓縮機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，對(duì)一臺(tái)激冷氣壓縮機(jī)的振動(dòng)波動(dòng)情況進(jìn)行故障診斷并予以解決。首先利用頻譜監(jiān)測(cè)方法得到機(jī)組時(shí)域波形、瀑布圖、趨勢(shì)曲線、FFT頻譜；然后通過(guò)與典型故障振動(dòng)特征、敏感參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出氣流激振是造成機(jī)組大幅度波動(dòng)的原因；最后通過(guò)改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)對(duì)氣流激振進(jìn)行抑制改善機(jī)組振動(dòng)情況。

關(guān)鍵詞：氣流激振；密封結(jié)構(gòu)；振動(dòng)波動(dòng)；齒式壓縮機(jī)；故障診斷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH452 文章編號(hào)：1009-2374（2017）02-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.034

近年來(lái)隨著離心壓縮機(jī)的發(fā)展，工作介質(zhì)參數(shù)的不斷提高，密封在防止流體泄漏的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生較大氣流激振力，引起密封氣流激振故障。當(dāng)密封切向氣流激振力引起的轉(zhuǎn)子渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率接近時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生氣流激振故障，引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。1965年，J S Alford在研究航空渦輪機(jī)械動(dòng)力學(xué)時(shí)指出，氣體切向速度是影響環(huán)流波動(dòng)共振的主要因素，并給出了著名的Alford力公式。Benckert H將實(shí)驗(yàn)得到的迷宮密封動(dòng)力系數(shù)用于高壓汽輪機(jī)和離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)，指出入口預(yù)旋對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性具有重要影響，并驗(yàn)證了渦旋制動(dòng)器可以有效降低交叉剛度導(dǎo)致迷宮密封的成熟。孫丹對(duì)在迷宮密封入口端增加阻旋柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CFD理論分析，得出了阻旋柵結(jié)構(gòu)可以降低流體周向壓力，增加密封的主阻尼，提高密封的穩(wěn)定性。本案例通過(guò)更改軸承結(jié)構(gòu)與密封結(jié)構(gòu)，提升API標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級(jí)穩(wěn)定性分析標(biāo)準(zhǔn)中一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率來(lái)提升轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，對(duì)機(jī)組振動(dòng)情況進(jìn)行抑制以解決機(jī)組問(wèn)題。

1 壓縮機(jī)氣流激振故障診斷

1.1 機(jī)組情況說(shuō)明

本機(jī)組為單級(jí)齒式壓縮機(jī)，業(yè)主于2015年6月15日更換壓縮機(jī)備件轉(zhuǎn)子運(yùn)行至2015年6月24日，機(jī)組工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在8580r/min，壓縮機(jī)不帶載荷運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)平穩(wěn)，帶載荷后振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)。壓縮機(jī)葉輪側(cè)振動(dòng)存在15～40um波動(dòng)，盲端振動(dòng)平穩(wěn)，通頻值為7um。此時(shí)壓縮機(jī)出口流量為68.55kg/s（設(shè)計(jì)為78.6kg/s），電機(jī)電流實(shí)際為248.7A（設(shè)計(jì)為253A）。

1.2 機(jī)組故障監(jiān)測(cè)

通過(guò)加速度殼振儀監(jiān)測(cè)機(jī)組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度如下：（垂直/水平，單位：mm/s）葉輪端軸承區(qū)：0.6/1.4；盲端軸承區(qū)：0.9/1.4；葉輪端地腳：0.6/0.5；盲端地腳：1.1/1.0。

通過(guò)PMS-5CR便攜式監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)機(jī)組在不同工況下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移及相應(yīng)的譜圖。

機(jī)組監(jiān)測(cè)時(shí)共選取6個(gè)工況對(duì)機(jī)組振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1：

由表1及相應(yīng)譜圖可以分析得出：（1）隨著轉(zhuǎn)速增加，壓差X出口流量增大，電流增大，即機(jī)組負(fù)載增加；（2）葉輪端振動(dòng)通頻值由8445r/min時(shí)的22～36um，增加至8783r/min時(shí)的25～47um，波動(dòng)范圍明顯增大；（3）葉輪端工頻幅值穩(wěn)定為3.6um；（4）90Hz左右的頻率段具有明顯的波動(dòng)特征，波動(dòng)值最大為20um；（5）盲端振動(dòng)穩(wěn)定，通頻值為7um。

1.3 機(jī)組振動(dòng)故障診斷

由上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出機(jī)組殼振較小，主頻振動(dòng)幅值非常穩(wěn)定，機(jī)組在進(jìn)口正常大氣壓力條件下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)穩(wěn)定在22um，帶載荷運(yùn)轉(zhuǎn)后振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)。隨著負(fù)載增大，通頻值波動(dòng)幅度增大，由瀑布圖中可以看出波動(dòng)頻率主要發(fā)生在88～91Hz之間，波動(dòng)幅度隨載荷增大而增大。

將該機(jī)組實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況與離心壓縮機(jī)典型故障特征進(jìn)行對(duì)比，可以得出基礎(chǔ)剛性無(wú)問(wèn)題，轉(zhuǎn)子平衡、機(jī)組找正、內(nèi)摩擦不存在問(wèn)題；油膜振蕩的特征頻率為0.5倍頻左右，與本情況不一致；旋轉(zhuǎn)失速的特征頻率為0.7～0.8X，振動(dòng)隨負(fù)荷降低而降低，本機(jī)組出口壓力、出口流量穩(wěn)定，與旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象不符。由以上可以初步判斷為氣流激振故障。

氣流激振的特征頻率為0.4～0.5X、，且振動(dòng)隨負(fù)荷變化敏感，振動(dòng)穩(wěn)定性差。通過(guò)有限元軟件分析可得本機(jī)組的一階理論頻率約為5078.6rpm，而實(shí)際出現(xiàn)波動(dòng)的頻率為88～91Hz，基本與一階振動(dòng)頻率一致，與本監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致。且通過(guò)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算，該轉(zhuǎn)子對(duì)數(shù)衰減率較小、穩(wěn)定性差，容易發(fā)生自激振動(dòng)，故可以判定該機(jī)組故障為氣流激振引起的轉(zhuǎn)子自激振動(dòng)。

2 壓縮機(jī)氣流激振故障治理

2.1 氣流激振產(chǎn)生原因

該機(jī)組氣流激振故障產(chǎn)生的原因在于葉輪工作時(shí)與口圈密封在周向上的間隙不同，在轉(zhuǎn)子的周向形成了不均勻的壓力分布，形成了與位移相垂直的切向分量，該切向力不斷向轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輸入能量，使該轉(zhuǎn)子葉輪端產(chǎn)生振動(dòng)波動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子由于偏心在迷宮密封中心位置附近渦動(dòng)時(shí)，力與位移的關(guān)系可用下式來(lái)描述：

上式中，剛度矩陣和阻尼矩陣的主對(duì)元項(xiàng)K和C分別為直接剛度和直接阻尼，副對(duì)角元項(xiàng)k和c分別為交叉剛度和交叉阻尼，這4個(gè)系數(shù)就是迷宮密封對(duì)轉(zhuǎn)子作用的主要參數(shù)。其中，交叉剛度k是促使轉(zhuǎn)子做非同步低頻渦動(dòng)的激振力的來(lái)源，是可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的主要因素；直接阻尼C反映的是系統(tǒng)阻尼作用的大小，是有利于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定的重要參數(shù)。直接剛度系數(shù)K和交叉阻尼系數(shù)c對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小。

密封系統(tǒng)的交叉剛度由密封進(jìn)氣預(yù)旋的大小決定，進(jìn)氣預(yù)旋越小，產(chǎn)生的切向力越小，轉(zhuǎn)子則會(huì)更加穩(wěn)定。

2.2 氣流激振抑制方法

為減小密封的進(jìn)氣預(yù)旋，提高密封的穩(wěn)定性，Muszynska和Bently于20世紀(jì)80年代提出一種反預(yù)旋思想。反預(yù)旋密封形式主要有兩種：（1）在密封進(jìn)氣入口處設(shè)置用來(lái)降低密封入口預(yù)旋速度的柵板，稱之為阻旋柵密封。研究結(jié)果表明，密封在進(jìn)出口壓差較小、軸向長(zhǎng)度較短的情況下，阻旋柵可有效減小密封腔室間隙流體的切向速度，降低交叉剛度，提高密封的穩(wěn)定性；當(dāng)進(jìn)出口壓差較大、軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，阻旋柵對(duì)提高密封穩(wěn)定性作用不大；（2）反旋流密封，反旋流密封多應(yīng)用于多級(jí)離心式壓縮機(jī)平衡盤(pán)密封。研究表明，加裝反吹氣裝置雖有一定效果，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大，反吹流速和流量并不是越高越好，不恰當(dāng)?shù)姆创禋饷芊庑问椒炊鴷?huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，且由密封反吹氣流產(chǎn)生的流動(dòng)損失直接影響機(jī)組的工作效率。

本機(jī)組為單級(jí)循環(huán)氣壓縮機(jī)，進(jìn)出口壓差小，軸向長(zhǎng)度短，選擇采用阻旋柵密封。帶有阻旋柵的葉輪口圈梳齒密封設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示：

2.3 改善氣流激振的理論計(jì)算

為提高API617標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于Ⅱ級(jí)穩(wěn)定性中的對(duì)數(shù)衰減率，提出將密封結(jié)構(gòu)增加阻旋柵與增加瓦塊寬度對(duì)氣流激振情況進(jìn)行改善。阻旋柵密封可以降低進(jìn)氣預(yù)旋度，減小氣流激振力，增加瓦塊寬度可以增加系統(tǒng)阻尼，從而增加對(duì)數(shù)衰減率。無(wú)阻旋柵的預(yù)旋比設(shè)置為0.7，增加阻旋柵的預(yù)旋比設(shè)置為0.5，瓦塊寬度由現(xiàn)有的80mm增加到90mm，計(jì)算出對(duì)數(shù)衰減率。無(wú)阻旋柵結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)衰減率為0.162，有阻旋柵結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)衰減率為0.204，可以看出加裝阻旋柵后可以明顯地提升對(duì)數(shù)衰減率，從而大大提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

2.4 機(jī)組改善后情況說(shuō)明

機(jī)組于2015年12月25日更換新的軸承與密封結(jié)構(gòu)后，根據(jù)服務(wù)工程師監(jiān)測(cè)，機(jī)組葉輪側(cè)振動(dòng)值穩(wěn)定在24um，原88～91Hz波動(dòng)頻率消失。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）氣流激振故障的診斷可以通過(guò)采集機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)頻譜，增加載荷等方式得出數(shù)據(jù)，然后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合各類故障的特征進(jìn)行歸納并逐步排除，進(jìn)而得出負(fù)荷機(jī)組的診斷結(jié)論；（2）通過(guò)對(duì)氣流激振的理論了解，可以得出進(jìn)行預(yù)旋是影響氣流激振力的主要因素，進(jìn)而通過(guò)更改密封結(jié)構(gòu)，在密封進(jìn)氣端增加阻旋柵來(lái)降低進(jìn)氣預(yù)旋，以減小氣流激振力，改善機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械振動(dòng)。

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（責(zé)任編輯：王 波）