大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)故障分析與預(yù)測(cè)

楊毅晟, 雷震, 閆喜強(qiáng)*

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 武漢 430070; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所, 綿陽(yáng) 621000)

隨著飛行器向超大型化、高速化和布局新型化的趨勢(shì)的發(fā)展,面臨跨聲速氣動(dòng)特性精細(xì)化模擬、氣動(dòng)彈性和機(jī)體/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)等難題,而大型跨聲速風(fēng)洞是開(kāi)展上述研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

根據(jù)風(fēng)洞運(yùn)行方式,跨聲速風(fēng)洞有暫沖式和連續(xù)式兩種形式。暫沖式風(fēng)洞一般系統(tǒng)簡(jiǎn)單,建設(shè)成本低,但運(yùn)行成本高,動(dòng)態(tài)流場(chǎng)品質(zhì)難以保證,典型代表是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)的2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞[2]。連續(xù)式風(fēng)洞系統(tǒng)復(fù)雜,建設(shè)成本高,但具有運(yùn)行效率高、成本低、動(dòng)態(tài)流場(chǎng)品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)典型代表是CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞[3]。為滿(mǎn)足翼展超過(guò)60 m的大型飛行器精確氣動(dòng)力試驗(yàn)、全機(jī)氣動(dòng)彈性預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)考核等需求,要求跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸在4.5～5 m量級(jí)[4-5],國(guó)內(nèi)現(xiàn)有跨聲速風(fēng)洞均不能完全滿(mǎn)足需求,因此開(kāi)展大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞論證建設(shè)是十分必要的。為確保大型連續(xù)式風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)順利進(jìn)行,有必要開(kāi)展發(fā)行風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)研制關(guān)鍵技術(shù)研究,并梳理軸流壓縮機(jī)典型故障,分析產(chǎn)生原因和具體解決措施;充分借鑒行業(yè)經(jīng)驗(yàn),預(yù)測(cè)壓縮機(jī)潛在故障,制定故障解決預(yù)案,為大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)研制提供借鑒和參考。

軸流壓縮機(jī)是一種把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體能量的機(jī)械裝置,具有高效、低耗、環(huán)保、造價(jià)低、安裝及維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空、冶金、石化、輕工、建材、電力等領(lǐng)域[5]。工業(yè)用軸流壓縮機(jī)可在極端嚴(yán)苛工況下服役,但工況范圍較窄,主要在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近運(yùn)行,目前多已形成系列化產(chǎn)品。與工業(yè)壓縮機(jī)不同的是,為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞寬廣的馬赫數(shù)調(diào)節(jié)能力,壓縮機(jī)必須具有效率高、工作轉(zhuǎn)速范圍廣、輸出功率大和喘振裕度大等特點(diǎn)[1,5-9],對(duì)軸流壓縮機(jī)的性能可靠性、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高要求。

大型風(fēng)洞壓縮機(jī)由于流量超出了系列化產(chǎn)品范圍,一般通過(guò)對(duì)工業(yè)軸流壓縮機(jī)模化設(shè)計(jì)得到,其原理及主體結(jié)構(gòu)與工業(yè)軸流壓縮機(jī)是類(lèi)似的,因而針對(duì)常規(guī)軸流壓縮機(jī)故障和問(wèn)題的研究,仍然對(duì)大型風(fēng)洞壓縮機(jī)研制具有指導(dǎo)意義。

1 軸流壓縮機(jī)典型故障分析

在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)共檢索軸流壓縮機(jī)故障相關(guān)文獻(xiàn)52篇,通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn):壓縮機(jī)振動(dòng)異常在所有故障類(lèi)型中36.5%;葉片斷裂占比11.5%;軸向力失衡占比7.7%;軸承故障占比5.8%;工藝制造相關(guān)問(wèn)題占比17.3%;靜葉承缸故障、密封失效等其他類(lèi)型故障占比21.2%,分布如圖1所示。結(jié)合風(fēng)洞壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況,主要針對(duì)機(jī)組振動(dòng)、葉片斷裂、軸向力失衡和軸承故障等4類(lèi)故障進(jìn)行典型案例分析。

圖1 軸流壓縮機(jī)典型故障文獻(xiàn)分析圖

1.1 振動(dòng)故障

案例1：南昌鋼鐵廠(chǎng)軸流壓縮機(jī)組[10]在運(yùn)行一個(gè)月后振動(dòng)逐漸增大,在工況改變瞬間出現(xiàn)如圖2所示的振動(dòng)突變現(xiàn)象,并逐漸演變?yōu)殡S機(jī)性的頻繁振動(dòng)突變,嚴(yán)重影響機(jī)組安全。經(jīng)初步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)組進(jìn)排氣側(cè)振動(dòng)變化呈相反趨勢(shì),頻譜信號(hào)主要為工頻信號(hào),且相位保持不變。同時(shí),機(jī)組靜子部件未檢測(cè)出明顯振動(dòng),主軸跳動(dòng)無(wú)明顯變化。根據(jù)上述特征可推測(cè)故障發(fā)生在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和軸瓦上,經(jīng)開(kāi)蓋檢修發(fā)現(xiàn)該機(jī)組軸承緊力消失、氣封和油封出現(xiàn)磨損。調(diào)整軸承預(yù)緊力和密封間隙后,振動(dòng)突變和不穩(wěn)定現(xiàn)象消失。該機(jī)組故障屬于典型的工頻振動(dòng),但其原因在于軸瓦緊力消失所導(dǎo)致的系統(tǒng)動(dòng)剛度降低,而不是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子不平衡。

圖2 振幅突變過(guò)程[10]

案例2：西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的全靜葉可調(diào)式15級(jí)軸流壓縮機(jī)組在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)間歇性劇烈振動(dòng),觸發(fā)故障預(yù)警[11]。經(jīng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)突變后機(jī)組振動(dòng)能量主要集中在0.34倍頻處,其余頻率與之前基本一致;突變后轉(zhuǎn)子初相點(diǎn)的相對(duì)位置呈現(xiàn)不規(guī)則、劇烈變化狀態(tài)。結(jié)合機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主頻接近軸系一階臨界轉(zhuǎn)速(0.32倍頻),符合典型的轉(zhuǎn)子低頻自激振動(dòng)故障特征,可推測(cè)的故障原因有氣流激振和油膜渦動(dòng)(油膜振蕩)兩種。

通過(guò)變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)于轉(zhuǎn)子的振動(dòng)波動(dòng)有顯著影響,因此可初步診斷該故障為由油膜渦動(dòng)引起的機(jī)組振動(dòng),且渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子一階固有頻率接近是出現(xiàn)劇烈波動(dòng)的主要原因。經(jīng)開(kāi)蓋檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組部分靜葉出現(xiàn)松動(dòng),與轉(zhuǎn)子存在明顯的摩擦現(xiàn)象,且軸承間隙已增大至技術(shù)要求的上限值,使得發(fā)生油膜渦動(dòng)乃至油膜振蕩的可能性增加。通過(guò)更換老化的靜葉O形圈來(lái)消除靜葉與轉(zhuǎn)子間的摩擦,并縮小進(jìn)氣側(cè)軸承頂隙以提高軸承穩(wěn)定性,機(jī)組的振動(dòng)間歇波動(dòng)完全消除。

振動(dòng)異常是壓縮機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的故障類(lèi)型之一,包括同頻振動(dòng)和異頻振動(dòng)。同頻振動(dòng)是指振動(dòng)頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相重合,多是由轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問(wèn)題或者運(yùn)行工況接近機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速引起。異頻振動(dòng)又可細(xì)分為倍頻振動(dòng)和隨機(jī)頻率振動(dòng)。轉(zhuǎn)子的不對(duì)中、動(dòng)靜部件的摩擦、聯(lián)軸器的應(yīng)力過(guò)大、基礎(chǔ)不良等都可能引起倍頻振動(dòng)。隨機(jī)頻率振動(dòng)的肇因則復(fù)雜得多,來(lái)自外部的氣流脈動(dòng)、喘振等和轉(zhuǎn)子自身的自激振動(dòng)都可能導(dǎo)致機(jī)組隨機(jī)振動(dòng)。

1.2 葉片斷裂

案例3：煉油廠(chǎng)催化裂化裝置軸流-離心復(fù)合式壓縮機(jī)組[12]自投用以來(lái),先后3次發(fā)生首級(jí)葉片根部斷裂事故(圖3)。經(jīng)診斷將故障原因歸納為機(jī)組長(zhǎng)期在小流量下運(yùn)行、葉片倍頻與氣流激振頻率接近、工作介質(zhì)腐蝕和維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)等。屬于典型的設(shè)計(jì)工況與實(shí)際運(yùn)行工況不匹配,且后期維護(hù)保養(yǎng)不到位,為大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)研制提供了重要借鑒。

圖3 首級(jí)葉片3次斷裂口[12]

案例4：AR-70-80型軸流壓縮機(jī)[13]檢修重新開(kāi)機(jī)后出現(xiàn)劇烈振動(dòng),現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),第9級(jí)動(dòng)葉中的兩片從根部過(guò)渡弧處斷裂,并造成后續(xù)多片葉片損傷,如圖4(a)和圖4(b)所示。通過(guò)宏觀(guān)斷口檢驗(yàn)和金相分析、力學(xué)性能測(cè)試、掃描電鏡顯微分析以及成分檢測(cè)等方法對(duì)斷裂葉片進(jìn)行了分析,如圖4(c)和圖4(d)所示。結(jié)果表明,葉片在服役過(guò)程中承受了復(fù)雜的交變應(yīng)力,葉片材料中有呈帶狀分布的夾雜物和材料晶界上產(chǎn)生了磷元素偏聚,這些缺陷使葉片的疲勞壽命顯著降低,造成葉片的早期疲勞斷裂。

圖4 葉片損傷照片[13]

軸流壓縮機(jī)葉片損壞事故在國(guó)內(nèi)外屢見(jiàn)不鮮。機(jī)組運(yùn)行中動(dòng)葉主要承受兩種力,一是轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力(包括離心拉應(yīng)力和離心彎曲應(yīng)力);二是氣流通過(guò)葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)彎曲應(yīng)力。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片和隔葉塊受離心力的作用會(huì)使安裝間隙加大,進(jìn)而使葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不可避免地發(fā)生震顫。同時(shí),壓縮機(jī)還可能承受高壓高速氣流中微顆粒粉塵擊打作用。上述載荷會(huì)在葉片上形成復(fù)雜的交變應(yīng)力,葉片根部的葉型過(guò)渡弧處和榫槽處構(gòu)成了發(fā)生失效破壞的敏感區(qū)域。尤其是當(dāng)工況發(fā)生變化、轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)間在較大振動(dòng)的情況下運(yùn)行時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的外加應(yīng)力,極易誘發(fā)葉片失效事故。

在大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行中,葉片還可能面臨異物撞擊導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p壞。在設(shè)計(jì)建設(shè)階段需考慮設(shè)置一定的防護(hù)裝置,而在運(yùn)行中需嚴(yán)格管控洞體內(nèi)物體進(jìn)出,確保洞體內(nèi)的清楚。當(dāng)壓縮機(jī)遭受異物撞擊時(shí),可借鑒航空發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域相關(guān)研究成果進(jìn)行撞擊故障的早期辨識(shí)[14～17]、定位[18]和軸系瞬態(tài)響應(yīng)分析[19],以盡量降低損失,確保風(fēng)洞的運(yùn)行安全性。

1.3 軸向力失衡

案例5：AV100型全靜葉可調(diào)軸流壓縮機(jī)組[20]運(yùn)行時(shí)軸向位移高達(dá)到+0.38 mm,且沒(méi)有穩(wěn)定跡象,在對(duì)軸系、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)磁力線(xiàn)中心的偏離進(jìn)行檢查和分析后判斷為電機(jī)轉(zhuǎn)子受熱膨脹導(dǎo)致軸向推力上升,增大了止推軸承的工作負(fù)荷和轉(zhuǎn)子位移量。采取抽取膜片聯(lián)軸器靠電機(jī)半軸的墊片數(shù)量、檢查電機(jī)磁力中心并適時(shí)調(diào)整、校驗(yàn)后臺(tái)機(jī)顯示值與實(shí)際軸向間隙值的對(duì)應(yīng)關(guān)系等手段,減小了軸向位移,改善了推力軸承的工作狀況。

在這起事故中值得注意的一點(diǎn)是,在拆機(jī)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)軸向?qū)嶋H間隙約為0.50 mm,后臺(tái)機(jī)軸位移顯示值僅為0.25 mm,近似關(guān)系為1∶2。也就是說(shuō),該機(jī)組運(yùn)行中軸位移顯示為0.38 mm時(shí),實(shí)際位移應(yīng)為0.76 mm,已超出了報(bào)警值,接近跳機(jī)值,屬于典型的傳感器測(cè)量失真,對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全產(chǎn)生極大的威脅。

案例6：煤化集團(tuán)軸流壓縮機(jī)組[21]試車(chē)時(shí)主推力瓦的溫度報(bào)警,此時(shí)機(jī)組出口壓力還未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該故障是由推力軸承承受的軸向力太大導(dǎo)致的,在對(duì)該臺(tái)壓縮機(jī)平衡管改造后,降低了平衡管低壓側(cè)的壓力,減少了整個(gè)轉(zhuǎn)子的軸向力,使機(jī)組得以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

影響轉(zhuǎn)子軸向力的因素很多,有結(jié)構(gòu)方面的,也有運(yùn)行方面的。運(yùn)行中軸向推力增加的原因主要有兩個(gè)方面:一是壓縮機(jī)出口超壓,如轉(zhuǎn)速升高或在轉(zhuǎn)速不變的情況下減小流量,可使排氣壓力增加;或級(jí)間密封環(huán)損壞,氣體從高壓段竄向低壓段,引起低壓段排氣壓力增加,都會(huì)導(dǎo)致軸向推力增加。二是輪蓋密封損壞,如密封片磨損或者密封齒間被異物堵塞,密封效果變差,會(huì)增加泄漏量,使得轉(zhuǎn)子的軸向推力加大。

軸向力失衡將影響軸承壽命,嚴(yán)重的會(huì)使軸瓦燒壞,引起轉(zhuǎn)子竄動(dòng),使轉(zhuǎn)子上的零件與固定元件碰撞,損壞機(jī)組。因而在壓縮機(jī)運(yùn)行中,需監(jiān)視軸瓦溫度、軸承潤(rùn)滑油溫度,設(shè)置軸向位移指示器,確保壓縮機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),在檢修時(shí)應(yīng)密切注意密封片等易損件的磨損情況,及時(shí)更換。

1.4 軸承故障

案例7：西北工業(yè)大學(xué)NF-6風(fēng)洞AV90-2軸流壓縮機(jī)試車(chē)期間發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)兩端洞體和轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)大量油液,經(jīng)檢查分析發(fā)現(xiàn)是潤(rùn)滑油經(jīng)轉(zhuǎn)子兩端迷宮密封泄漏[22-24]。其故障原因歸納為3個(gè)方面:一是回油孔孔徑設(shè)計(jì)過(guò)小;二是加工安裝問(wèn)題導(dǎo)致軸承座上回油管道與缸體不同心;三是所選用迷宮密封效果欠佳。最終通過(guò)加大回油孔和回油管路,改善加工質(zhì)量,在壓縮機(jī)進(jìn)、排氣端軸端密封套上增加密封環(huán),以及在壓縮機(jī)兩端回油腔體上增加放空管路等改進(jìn)措施使軸流壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,潤(rùn)滑油回油通暢,壓縮機(jī)軸承座無(wú)潤(rùn)滑油泄漏。

案例8：應(yīng)用于硝酸四合一機(jī)組的AV40型軸流壓縮機(jī)[25]多次因故障造成停機(jī)。通過(guò)分析軸流壓縮機(jī)突變時(shí)刻的頻譜、軸心軌跡等特征,如圖5所示,結(jié)合故障發(fā)生的時(shí)刻及徑向軸承特性分析,確定油膜振蕩引起油膜瞬間失穩(wěn)是故障的主要原因。在總結(jié)油膜振蕩故障現(xiàn)場(chǎng)消除方法的基礎(chǔ)上,更換排氣側(cè)存在輕微磨損的徑向軸承來(lái)減小軸承頂隙,最終故障得到完全消除。

圖5 突變前后軸心軌跡圖[25]

軸流壓縮機(jī)軸承是經(jīng)常出現(xiàn)故障的部件之一,在檢修、安裝和運(yùn)行中要特別重視軸承的檢查,軸承常見(jiàn)的故障有軸瓦拉毛、磨損和刮傷,軸承咬合以致巴氏合金融化和軸瓦的疲勞破裂等。軸承典型損傷如圖6所示。造成軸承故障的主要原因有兩個(gè)方面:一是潤(rùn)滑油供油不足、潤(rùn)滑油清潔度不達(dá)標(biāo)、油溫過(guò)高等都會(huì)導(dǎo)致軸承損傷,引發(fā)機(jī)組故障。二是軸承和機(jī)組的制造安裝問(wèn)題導(dǎo)致運(yùn)行載荷變大,進(jìn)而引發(fā)軸承過(guò)載。

圖6 軸流排氣側(cè)的軸承下瓦

2 大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)研制

綜合國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果,試驗(yàn)段口徑達(dá)到4.5～5 m量級(jí)的大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)組軸功率將達(dá)到240 MW[5],采用雙側(cè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)時(shí)軸系全長(zhǎng)會(huì)達(dá)到90 m量級(jí),具備投資規(guī)模大、結(jié)構(gòu)尺寸空前、運(yùn)行工況范圍寬、性能要求嚴(yán)苛和穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)。作為風(fēng)洞的核心設(shè)備,軸流壓縮機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),其運(yùn)行穩(wěn)定性、故障的快速診斷和有效處置對(duì)實(shí)現(xiàn)提高風(fēng)洞試驗(yàn)效率具有重要意義,甚至關(guān)系到風(fēng)洞建設(shè)的成敗。根據(jù)軸流壓縮機(jī)常見(jiàn)故障類(lèi)型和風(fēng)洞運(yùn)行特點(diǎn),在大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)研制中應(yīng)著重關(guān)注以下3個(gè)方面:一是大型壓縮機(jī)加工制造;二是超長(zhǎng)軸系設(shè)計(jì)和穩(wěn)定分析;三是機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警。

2.1 大型壓縮機(jī)加工制造

加工制造問(wèn)題是導(dǎo)致壓縮機(jī)故障的重要因素,文獻(xiàn)分析結(jié)果顯示有17.3%的軸流壓縮機(jī)故障是由工藝制造問(wèn)題導(dǎo)致的。由加工制造導(dǎo)致的故障可能表現(xiàn)為案例3、4所示的葉片斷裂,也可能導(dǎo)致案例7所示的軸承故障,但更多的時(shí)候表現(xiàn)為機(jī)組的振動(dòng)異常。

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)靜子部件加工具備明顯的強(qiáng)尺寸/型面約合、加工可達(dá)性差等特點(diǎn);轉(zhuǎn)子部件尺寸巨大,只能在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展動(dòng)平衡試驗(yàn),對(duì)零部件的加工精度提出了更高的要求。為確保壓縮機(jī)加工制造質(zhì)量,需充分借鑒航空航天、高鐵列車(chē)、船舶和風(fēng)電等領(lǐng)域大型型面部件加工經(jīng)驗(yàn),融合傳感、信息、人工智能、大數(shù)據(jù)和控制等先進(jìn)技術(shù),開(kāi)展大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)智能制造理論、方法和工藝研究。

動(dòng)葉片是軸流壓縮機(jī)做工的主要部件,為降低結(jié)構(gòu)重量,大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)通常采用碳纖維復(fù)合材料葉片。大型碳纖維葉片的制備工藝、力學(xué)性能分析、裂紋和損傷敏感特性都是需要關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2 超長(zhǎng)軸系設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)組軸系具有跨度大、轉(zhuǎn)動(dòng)部件多、功率高和多物理場(chǎng)耦合等特點(diǎn),軸系傳動(dòng)過(guò)程中的彈性變形更為明顯,極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。需要在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展詳細(xì)的軸系穩(wěn)定分析,通過(guò)軸系設(shè)計(jì)優(yōu)化,避免扭振發(fā)生。大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)組軸系布局如圖7所示。

圖7 大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)軸系簡(jiǎn)圖

軸系穩(wěn)定性的影響因素包括壓縮機(jī)機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩大類(lèi)。常規(guī)軸系穩(wěn)定性分析通常僅從針對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器、齒輪箱、軸承等機(jī)械部分,根據(jù)不同工況考慮部分或所有因素。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明軸系扭振時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)矩及母線(xiàn)電壓中均會(huì)出現(xiàn)軸系扭振頻率分量,電機(jī)電流則出現(xiàn)了基頻頻率±軸系扭振頻率間諧波電流分量;從變頻器側(cè)看,軸系扭振主要是變頻器輸出電流發(fā)生了波動(dòng),含有與機(jī)械頻率一致的間諧波。說(shuō)明電機(jī)-變頻器等電氣系統(tǒng)也對(duì)機(jī)組的軸系穩(wěn)定性具有重要影響。

軸系阻尼系數(shù)是影響軸系穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),其值越小則軸系越容易產(chǎn)生扭振。實(shí)際系統(tǒng)中通常難以準(zhǔn)確測(cè)定阻尼系數(shù),只能采用保守估計(jì)。在高壓變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中,也存在一些電氣阻尼參數(shù),與軸系阻尼系數(shù)起著相同的作用。因此,針對(duì)大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)需要綜合考慮電器系統(tǒng)(電機(jī)-變頻器)對(duì)軸系的諧波激勵(lì)、阻尼系數(shù)產(chǎn)生的影響,開(kāi)展機(jī)械電氣耦合的超長(zhǎng)軸系扭振的系統(tǒng)級(jí)機(jī)理、系統(tǒng)仿真及其驗(yàn)證,提高軸系運(yùn)行穩(wěn)定性。

以CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)為研究對(duì)象,在MATLAB/Simulink建立圖8所示高壓變頻器供電下雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)模型,仿真過(guò)程設(shè)置0～20 s電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min升速至2 000 r/min,在20～30 s電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000 r/min,分別基于力矩環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的功率平衡控制策略對(duì)機(jī)組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析,并進(jìn)行算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示,兩種功率平衡控制策略下,針對(duì)軸系前兩階扭轉(zhuǎn),基于轉(zhuǎn)矩的功率平衡控制有更好的動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡效果,而基于雙轉(zhuǎn)速閉環(huán)的功率平衡控制具有更好的抑制效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,通過(guò)對(duì)變頻器改造使機(jī)組前兩階扭轉(zhuǎn)振幅下降43.37%和20.46%,實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭振的有效抑制[26]。

圖8 高壓變頻器供電下雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)模型

2.3 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警

在工業(yè)軸流壓縮機(jī)領(lǐng)域,機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,尤其是在國(guó)家重大戰(zhàn)略工程中,系統(tǒng)的健康管理、故障診斷得到了極大的關(guān)注[27-30]。為提升大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)組運(yùn)行安全性、運(yùn)行維護(hù)便利性,需布置多種類(lèi)型測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)采集機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),并建立機(jī)組健康管理系統(tǒng),結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等手段建立風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)健康管理系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能故障診斷與預(yù)測(cè)、自主運(yùn)維支撐和集成化設(shè)備管理。

針對(duì)大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)組需開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)軸系、機(jī)組振動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)應(yīng)變與疲勞3類(lèi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸系監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含軸系橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸向脹差、葉頂間隙、葉片振動(dòng)等;機(jī)組振動(dòng)主要監(jiān)測(cè)位置包含軸承座、機(jī)組殼體和安裝基礎(chǔ);應(yīng)變與疲勞監(jiān)測(cè)主要采用光纖光柵等分布式傳感手段,監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力應(yīng)變。軸系部分測(cè)點(diǎn)如圖9所示。

圖9 大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布局圖

所有傳感器數(shù)據(jù)是判斷壓縮機(jī)乃至整個(gè)風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù),在正式運(yùn)行前必須仔細(xì)校核傳感器安裝和工作狀態(tài),避免出現(xiàn)案例5類(lèi)似的測(cè)量失真問(wèn)題。位于壓縮機(jī)流道內(nèi)的傳感器必須確保不與壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件發(fā)生干涉,國(guó)內(nèi)某風(fēng)洞壓縮機(jī)在調(diào)試過(guò)程中就曾發(fā)生因傳感器干涉導(dǎo)致整級(jí)葉片損壞的事故。

基于上述傳感設(shè)備的在線(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析,克服噪聲影響[31],建立傳感數(shù)據(jù)與故障模式的映射關(guān)系,設(shè)立節(jié)點(diǎn)權(quán)重和閾值,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法進(jìn)行自主訓(xùn)練,基于模型實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位、診斷,甚至是預(yù)測(cè)[32-33],利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助機(jī)組運(yùn)行維護(hù)、故障處置方案的制訂和實(shí)施。

3 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)梳理工業(yè)軸流壓縮機(jī)故障案例,將壓縮機(jī)常見(jiàn)故障按照壓縮機(jī)振動(dòng)、葉片斷裂、軸向力失衡和軸承故障和其他故障等歸類(lèi)分析。通過(guò)典型案例表現(xiàn)特征和處置方案的細(xì)致梳理對(duì)各類(lèi)故障原因進(jìn)行了初步分析。結(jié)合大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)工作特點(diǎn),從加工制造、超長(zhǎng)軸系設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警等角度提取了大型風(fēng)洞壓縮機(jī)研制中的重難點(diǎn)問(wèn)題;以CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)軸系穩(wěn)定性分析和基于電機(jī)、變頻系統(tǒng)的軸系扭振抑制方法研究為基礎(chǔ),提出了大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)軸系監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布局圖,為大型風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。