題離心壓縮機轉子與密封碰磨的故障診斷及特征研究

唐佳麗

摘 要：測試某工廠的離心壓縮機轉子振動故障，通過分析在不同時刻以及不同轉速下的振動頻譜特征、時域特征以及啟動時以及在工作轉速之下的軸振變化趨勢，發現轉子與密封之間的碰磨是導致轉子故障的主要因素。把轉子退出隔板密封之后，運行無異常，且效果較為靈活，說明轉子故障原因判斷正確，因此積極對密封間隙進行了調整，有效消除轉子的振動故障，機組的整體運行效果良好且無異常。

關鍵詞：離心壓縮機轉子;密封碰磨;故障診斷;特征

1 振動特征及故障原因分析

為了尋找離心壓縮機轉子的故障原因，需要對該機組進行振動頻譜分析，利用該機組所安裝的轉子振動位移測量渦流傳感器采集振動信號，將頻譜分析儀接入本特利 3500 的緩存輸出口，采集原始電壓信號，對原始電壓信號的波形進行傅立葉變換，對構成的波形頻譜圖進行分析，判斷故障原因。

1.1振動特征

對啟動過程以及運行過程中的軸振進行分析，得到下列特征：第一，達到工作轉速之后的轉子振動特征：在轉子轉速達到工作轉速之后的十三分鐘，振動的成分只包括工頻。而在軸振爬升發生七分鐘之后，振動成分依然只包括工頻。第二，軸振趨勢特征：電機的啟動速度較快，因此轉子轉速達到工作轉速的時間也較少。能夠發現在加速的過程中，轉子在經過臨界轉速的時候，軸振較為明顯，但是在短時間內又恢復至正常值。在轉子轉速達到工作轉速的十三分鐘之后，軸振處于正常狀態;接著軸振爬升，爬升六分鐘之后，離心壓縮機驅動端的軸振大于 100μm，最終機組振動達到連鎖停機值，機組停車。第三，加速過程的振動特征：轉子轉速在達到臨界轉速之前軸振的時域及頻譜，在轉子轉速經過臨界轉速之前，主要的振動成為工頻，占通頻的百分之九十五左右，存在少部分的二倍頻。觀察軸振的視域，發現其存在輕微的削波狀況。當轉子轉速即將到達臨界轉速的時候，轉子振動顯著增大，工頻是主要的振動成分，振動為簡單的諧波。在轉子轉速過臨界轉速之后，轉子振動明顯減小，工頻是主要的振動成分，存在較為明顯的二倍頻，此時軸振波峰出現明顯波動。

1.2故障原因初步分析

在轉子達到工作轉速之后，工頻為主要的振動成分，說明振動極有可能是質量平衡性不足而導致的，經初步分析，造成質量平衡性不足的原因包括：第一，運行時轉子出現熱彎曲;第二，原始質量平衡性不足;第三，原始軸彎曲。觀察振動的趨勢，發現轉子在一開始的時候并無太大振動，說明原始軸彎曲以及原始質量平衡性不足不是軸振的原因，通過對機組進行檢查，也并未發現軸彎曲，工作人員也采取了低速動平衡措施，但是振動故障仍存在，表示原始軸彎曲以及原始質量平衡性不足并非振動爬升的原因。為了確定軸振與工況的關系，在制定測試方案的時候，選擇將進氣閥關閉，測試結果顯示，在啟動過程中以及試運轉過程中，工況無變化，所以將工況原因排除。最終認為轉子和密封摩擦所造成的熱彎曲與軸振有密切關系，因為熱彎曲只是一個短期過程，因此在機組停機之后，轉子又會恢復至正常狀態。

2故障驗證及其處理措施

2.1故障原因的實驗驗證

通過分析在試運轉時軸振的頻譜以及時域，按照相關轉子碰磨理論以及現場調研結果，判斷轉子與密封的碰磨是導致轉子出現振動故障的主要因素。為了對此結論進行驗證，將各級輪蓋密封、1、2 級密封級間密封、3、4 級級間密封以及段間密封去掉，開展試運行。試運行時間為 100 分鐘，在試運行結束后，觀察機組在無密封試運行時的軸振趨勢，發現在出氣方軸承周圍的軸振均 <25 微米;觀察在加速時的軸振頻譜，發現工頻是主要的振動成分，且存在較為明顯的三倍頻以及二倍頻。在轉子轉速達到工作轉速之后的軸振頻譜中，工頻是主要的振動成分。在試運行期間，轉子無振動爬升現象。由此確定了轉子與密封的碰磨是導致轉子出現故障的主要因素，在熱效應的作用下，激發了第二階的不平衡分量，從而造成熱彎曲振動。出現碰磨是因為在不平衡的作用之下，此離心壓縮機的轉子會出現一定程度的動撓度，最終導致轉子與密封出現摩擦，從而引發熱不平衡以及轉子熱彎曲失去穩定性。

2.2 第一種故障處理措施

因為不能改變轉子，因此選擇調整轉子的徑向間隙，一級以及三級葉輪和輪蓋密封之間的原始動靜間隙為 0.25 毫米至0.35 毫米，將其調整為 0.35 毫米至 0.50 毫米;二級以及四級葉輪和輪蓋密封之間的原始動靜間隙為 0.25 毫米至 0.35 毫米，將其調整為 0.4 毫米至 0.55 毫米。而一級、二級的級間密封、三級、四級的級間密封以及段間密封的動靜密封間隙調整至 0.25 毫米至 0.32 毫米。在修復密封之后，觀察機組在試運行時的軸振趨勢，發現在出氣口軸承周圍的軸承 <20 微米，觀察加速時的軸承頻譜，發現工頻為主要的振動成分，且存在較為明顯的二倍頻。在轉子轉速達到工作轉速之后，觀察軸振頻譜，發現工頻是主要的振動成分。在試運行之后，轉子無振動爬升現象，表示振動故障判斷正確，且處理效果較為良好。

結語

離心壓縮機試運轉時出現振動故障，經測試，判斷故障是轉子與密封碰磨而致。為驗證故障原因，將輪蓋密封以及隔板密封取出，之后機組的運行效果以及運轉狀況均較為良好，說明故障的原因診斷正確。在對機組的密封間隙進行相應調整之后，轉子的故障得到消除，機組能夠正常運行，運轉狀態及運行效果均良好。

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（中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201308）