旋轉(zhuǎn)失速與喘振故障的機理與診斷

1、旋轉(zhuǎn)失速與喘振故障的機理與診斷(1)作者：佚名    轉(zhuǎn)貼自：電力安全論壇    點擊數(shù)： 207    更新時間：2008-3-12旋轉(zhuǎn)失速與喘振是高速離心壓縮機特有的一種振動故障。這種故障是由于流體流動分離造成的，設(shè)備本身一般沒有明顯的結(jié)構(gòu)缺陷，因而不需要停工檢修，通過調(diào)節(jié)流量即可使振動減至允許值。       當旋轉(zhuǎn)脫離進一步發(fā)展為喘振時，不僅會引起機組效率下降，而且還會對機器造成嚴重危害。喘振會導致機器內(nèi)部密

2、封件、軸承等損壞，嚴重的甚至會導致轉(zhuǎn)子彎曲、聯(lián)軸器損壞。喘振是離心壓縮機等流體機械運行最惡劣、最危險的工況之一，對機器危害很大。對這種危害性極大但又不需要停機即可處理的故障，最能顯示出狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作的作用與效益。       一、旋轉(zhuǎn)失速的機理與特征       1旋轉(zhuǎn)失速       旋轉(zhuǎn)失速的機理首先由H . W . Emmons在1995年提出。旋轉(zhuǎn)失速的形成過程大致如下。離心壓縮機的葉輪結(jié)構(gòu)、尺寸都是

3、按額定流量設(shè)計的，當壓縮機在正常流量下工作時，氣體進入葉輪的方向1與葉片進口安裝角S一致，氣體可以平穩(wěn)地進人葉輪，如圖1(a)所示，此時，氣流相對速度為1，入口徑向流速為C1。當進人葉輪的氣體流量小于額定流量時，氣體進人葉輪的徑向速度減少為C1氣體進人葉輪的相對速度的方向角相應(yīng)的減少到1，因而與葉片進口安裝角S不相一致。此時氣體將沖擊葉片的工作面（凸面），在葉片的凹面附近形成氣流旋渦，旋渦逐漸增多使流道有效流通面積減小。由于制造、安裝維護或運行工況等方面的原因，進人壓縮機的氣流在各個流道中的分配并不均勻，氣流旋渦的多少也有差別。如果某一流道中圖1（b）中的流道2氣流旋渦較多，則通過這個流道的氣

4、量就要減少，多余的氣量將轉(zhuǎn)向鄰近流道（流道1和3)。在折向前面的流道（流道1)時，因為進人的氣體沖在葉片的凹面上，原來凹面上的氣流旋渦有一部分被沖掉，這個流道里的氣流會趨于暢通。而折向后面流道（流道3)的氣流則沖在葉片的凸面上，使得葉片凹面處的氣流產(chǎn)生更多的旋渦，堵塞了流道的有效流通面積，迫使流道中的氣流又折向鄰近的流道。如此輪番發(fā)展，由旋渦組成的氣流堵塞團（稱為失速團或失速區(qū)）將沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的相反方向輪流在各個流道內(nèi)出現(xiàn)。因為失速區(qū)在反方向傳播速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，所以，從葉輪之外的絕對參考系來看，失速區(qū)還是沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，這就是旋轉(zhuǎn)失速的機理。盡管實際氣流情況比較復雜，但H . W

5、 . Emmons提出的旋轉(zhuǎn)失速機理還是為后人的研究工作提供了依據(jù)。 圖1  旋轉(zhuǎn)失速的形成       2旋轉(zhuǎn)失速頻率       旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度或失速頻率是大家比較關(guān)心的問題，因為它在診斷壓縮機的振動是否是由旋轉(zhuǎn)失速所引起的具有重要意義。       對此，國內(nèi)外的科研機構(gòu)除了進行大量的理論研究外，還在試驗室進行了大量的實際測試。B. F. J.Cossar等人在軸流壓縮機上做了大量測試，結(jié)果表明

6、，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)是先在葉片的尾部出現(xiàn)，然后向級前移動，大約相對轉(zhuǎn)動20°才到達葉片的前緣。       事實上，失速區(qū)的形成是一個相當復雜的流體動力過程。失速頻率還與葉片進口氣流是否存在畸變、入口氣流方向角1與葉片入口安裝角S之間的差值（稱為沖角）大小以及壓縮機的級數(shù)等因素有密切關(guān)系。B. F. J . Cossar在試驗中利用在壓縮機進口處安裝低孔率金屬絲網(wǎng)的方法，測得失速頻率為轉(zhuǎn)速頻率的1/2，與理論研究計算的失速頻率為轉(zhuǎn)速頻率的1/3有一定差異。      

7、60;N. A. Cumpsty的試驗?zāi)Ｐ椭赋?，旋轉(zhuǎn)失速頻率在轉(zhuǎn)速頻率的1512的范圍內(nèi)，隨縮機級數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度逐漸接近于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的40。       日本振動專家白木萬博介紹，根據(jù)機器種類不同，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)傳播速度為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的0.20.5。意大利NUOVO PIGNOVE公司的壓縮機組在我國石化行業(yè)應(yīng)用較多，該公司對于按他們圖紙制造的在大化肥尿素裝置使用CO2壓縮機，提出旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度可以按下面的經(jīng)驗公式計算：         

8、60;                          （1-1）        式中   Q0p發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時的實際流量；            

9、       Q0壓縮機設(shè)計工況流量；                    u轉(zhuǎn)子的周向速度。圖2  兩種失速狀態(tài)       據(jù)此公式計算出的旋轉(zhuǎn)失速區(qū)傳播速度約為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的0.30.45。       另外，輪轂比（即葉輪流道的內(nèi)

10、徑與外徑之比）對失速區(qū)的傳播速度有很大影響，大輪轂比葉輪會出現(xiàn)整個半徑方向失速，即失速區(qū)從葉片根部到葉片頂部的整個范圍內(nèi)都出現(xiàn)，稱為全半徑失速圖2 (a)小輪轂比葉輪一般只在半徑方向上的部分失速，即失速區(qū)只占據(jù)流道長度的一部分圖2(b）。就失速狀態(tài)來說，全半徑失速比部分半徑失速要嚴重，即葉柵內(nèi)的流體會引起較強的壓力脈動。       3旋轉(zhuǎn)失速的振動機理       旋轉(zhuǎn)失速在葉輪內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動是激勵轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動的激勵力，激勵力的大小與氣體的分子量有關(guān)，如果氣體的分子量

11、較大，激勵力也較大，對機器的運行影響也就比較大。       從固定于葉輪上的相對坐標系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團以角頻率s在機器流道間傳播，由于壓力波動激勵轉(zhuǎn)子的振動頻率為s，其振動頻率小于轉(zhuǎn)子的角頻率。而從葉輪之外的絕對坐標系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團是以（s)的頻率旋轉(zhuǎn)的，其方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同因此，流體機械發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，轉(zhuǎn)子的異常振動同時有s和（s）兩個次諧波特征頻率。       機組發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，可能是在某一級葉輪上有一個氣體脫離團，也可能是在某級葉輪上存在幾個脫離團；脫離團

12、可能在某一級葉輪上發(fā)生，也可能同時在幾級葉輪上同時發(fā)生。一般機器發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時常有兩個或兩個以上氣體脫離團。       實際生產(chǎn)中，機器發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的角頻率s參考式(1-1)，可按下式計算：                             

13、60;        （1-2）       式中    轉(zhuǎn)子角頻率；                   N氣體脫離團數(shù)量；           

14、       Q0p實際工作流量；                   Q0設(shè)計流量。       流體機械的旋轉(zhuǎn)失速故障一般來說總是存在的，但它并不一定能激勵轉(zhuǎn)子使機組發(fā)生強烈振動，只有當旋轉(zhuǎn)失速的頻率與機組的某一固有頻率耦合時，機器才有可能發(fā)生共振，出現(xiàn)危險振動。    &#

15、160;  二、喘振的機理與故障特征       1喘振       喘振是離心式和軸流式壓縮機運行中的常見故障之一，是旋轉(zhuǎn)失速的進一步發(fā)展。       如圖3所示，離心式壓縮機具有這樣的特性，對于一個確定的轉(zhuǎn)速，總對應(yīng)一個流量值，壓縮機效率達到最高點。當流量大于或小于此值時，效率都將下降。一般常以此流量的工況點為設(shè)計工況點。       壓縮機

16、的性能曲線左邊受到喘振工況（Qmin )的限制，右邊受到堵塞工況（Qmax）的限制，在這二者之間的區(qū)域，稱為壓縮機的穩(wěn)定工況區(qū)域。穩(wěn)定工況區(qū)域的大小，是衡量壓縮機性能的重要指標。圖3  壓縮機性能曲線       當壓縮機在運行過程中，若因外部原因使流量不斷減小達到Qmin值時，就會在壓縮機流道中出現(xiàn)嚴重的旋轉(zhuǎn)脫離，若氣量進一步減小時，壓縮機葉輪的整個流道被氣流旋渦區(qū)所占據(jù)，這時壓縮機的出口壓力將突然下降。但是，壓縮機出口所連接的較大容量的管網(wǎng)系統(tǒng)中壓力并不馬上下降，此時會出現(xiàn)管網(wǎng)中氣體向壓縮機倒流的現(xiàn)象。當管網(wǎng)中壓力下降到

17、低于壓縮機出口排氣壓力時，氣體倒流會停止，壓縮機又恢復向管網(wǎng)排氣。然而，因為進氣量的不足，壓縮機在出口管網(wǎng)恢復到原來的壓力以后，又會在流道內(nèi)出現(xiàn)旋渦區(qū)。如此周而復始，機組和管道內(nèi)的流量會發(fā)生周期性變化，機器進出口壓力會大幅度脈動。由于氣體在壓縮機進出口處吞吐倒流，會伴隨有巨大周期性的氣流吼聲和劇烈的機器振動，這些波動在儀表操作盤的壓力、流量、振動信號顯示、記錄中可以清楚地反映出來，在操作現(xiàn)場也可以立即覺察得到。       由喘振引起的機器振動頻率、振幅與管網(wǎng)容積大小密切相關(guān)，管網(wǎng)容積越大，喘振頻率越低，振幅越大。一些機器的排氣管網(wǎng)容量非常大，此時喘振頻率甚至小于1Hz。       2喘振的故障特征       壓縮機發(fā)生喘振的主要特征如下。       (1)壓縮機接近或進入喘振工況時，缸體和軸承都會發(fā)生強烈的振動，其振幅要比正常運行時大大增加，喘振頻率可參考式計算，一般都比較低，通常為130Hz。