大型空分裝備運(yùn)行穩(wěn)定的影響因素總結(jié).doc

大型空分裝備運(yùn)行穩(wěn)定性的影響因素總結(jié)空分裝備的運(yùn)行穩(wěn)定性是指空分裝備在運(yùn)行過程中，內(nèi)部構(gòu)件在外部載荷下，其振幅保持在一定范圍內(nèi)。其失穩(wěn)的主要表現(xiàn)形式為部件工作異常，動力系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩、分叉以及混沌等動力學(xué)行為。影響穩(wěn)定性的部件主要有轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)、葉輪、管道等。由于大型空分設(shè)備中使用的大多是離心壓縮機(jī)【1】，離心壓縮機(jī)在工作工程中不會引起明顯的氣流脈動，所以管道的振動主要是由空氣壓縮機(jī)的振動引起的。而轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)和葉輪則為空氣壓縮機(jī)的核心部件，因此空分裝備的運(yùn)行穩(wěn)定性的核心問題即使空氣壓縮機(jī)的振動問題。引起空氣壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的主要因素有：1. 轉(zhuǎn)子的不平衡【2】旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子由于受到材料質(zhì)量和加工技術(shù)等各方面的影響,轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量分布與中心線不可能絕對地軸對稱,固此任何一個轉(zhuǎn)子不可能做到絕對平衡,轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心線之間總是有偏心距存在【3】。這就使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成周期性離心力干擾,在軸承上產(chǎn)生動載荷,使機(jī)器產(chǎn)生振動。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的原因有:設(shè)計問題、材料缺陷、加工與裝配誤差、工藝過程等問題。轉(zhuǎn)子不平衡故障特征是:在轉(zhuǎn)子徑向測檢的頻譜圖上,轉(zhuǎn)速頻率成分具有凸出的峰值;轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波值很低，因此反映在時域波形圖上是一個正弦波;對于普通兩端支撐的轉(zhuǎn)子,軸向測點上的振值并不明顯。2. 轉(zhuǎn)子的不對中轉(zhuǎn)子不對中類型有平行不對中、角度不對中和組合不對中。其不對中的原因有:設(shè)計過程中熱膨脹計算與實際有誤差、安裝或檢修對中誤差、導(dǎo)向系統(tǒng)未鎖緊等。轉(zhuǎn)子不對中引起的故障及特征：1)改變了軸承的油膜壓力,負(fù)荷較小的軸承可能引起油膜失穩(wěn)。往往是緊靠聯(lián)軸器兩端的軸承出現(xiàn)最大振動。2)不對中引起的振幅與轉(zhuǎn)子的負(fù)荷有關(guān),隨負(fù)荷的增大而增大,位置低的軸承振幅比位置高的軸承振幅大,因為低位軸承被架空,油膜穩(wěn)定性下降。3)平行不對中主要引起徑向振動,角不對中主要引起軸向振動。4)不對中使聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)產(chǎn)生相位差。5)從振動頻率上分析,不同形式的不對中產(chǎn)生不同的頻率。3. 轉(zhuǎn)子與氣封之間的摩擦為了提高離心壓縮機(jī)的效率,往往把密封間隙、葉輪頂間隙做得很小,以減小氣體的泄漏。但是小間隙除了會引起流體動力激振外還容易發(fā)生轉(zhuǎn)子與氣封的碰磨。發(fā)生局部碰磨的特征：碰磨時,接觸力和轉(zhuǎn)子運(yùn)動之間為非線性關(guān)系,使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生次諧波和高次諧波振動。局部碰磨一般是不對稱的非線性振動,因此多數(shù)情況下產(chǎn)生轉(zhuǎn)速頻率的1/2次諧波振動,當(dāng)轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子一階自振頻率的2倍時,就會產(chǎn)生共振。4. 裂紋裂紋是由于加工誤差，安裝誤差，意外沖擊和疲勞破損造成，難發(fā)現(xiàn)，其造成的后果極為嚴(yán)重。5. 油膜振蕩有些輕載轉(zhuǎn)子,半速渦動在較低轉(zhuǎn)速就產(chǎn)生了,使得轉(zhuǎn)子變?yōu)椴环€(wěn)定,但由于油膜的剛性和阻尼作用,抑制了渦動幅度,使轉(zhuǎn)子仍能平衡工作。隨著轉(zhuǎn)速的升高,半速渦動幅值逐漸增加,直到轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速的兩倍附近時,渦動頻率與轉(zhuǎn)子一階自振頻率重合。轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的油膜共振,這種共振渦動稱為油膜振蕩,其頻率為轉(zhuǎn)子的一階自振頻率。油膜振蕩的特征：油膜振蕩往往十分劇烈,瞬時振幅突然升高,很快發(fā)生局部油膜破裂。引起軸頸與軸瓦間的磨擦,發(fā)出吼叫聲,嚴(yán)重?fù)p壞軸承和轉(zhuǎn)子。判別是否發(fā)生油膜振蕩首先要看振動頻率是否接近轉(zhuǎn)速的1/2,但必須與動靜磨擦區(qū)分開來,動靜磨擦也發(fā)生半頻振動。頻譜、軸心軌跡及波形特征是: (1)較大的徑向振動。頻譜中有明顯而穩(wěn)定的渦動頻率分量可能有高次諧波分量; (2)軸向振動在渦動頻率處的分量較小; (3)若在一階臨界轉(zhuǎn)速頻率處出現(xiàn)峰值,則表明已出現(xiàn)油膜振蕩; (4)軸心軌跡呈現(xiàn)雙橢圓或紊亂不重合,軸心軌跡呈現(xiàn)內(nèi)“8”字形; (5)時域波形中穩(wěn)定的周期信號占優(yōu)勢,每轉(zhuǎn)一周少于一個峰值,沒有較大的加速度沖擊現(xiàn)象6. 氣流激振【4】氣流激振產(chǎn)生的振動屬密封間隙動力失穩(wěn)的范疇，引起氣流激振主要是在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與定子小間隙處，由于密封間隙內(nèi)壓力徑向分布不均產(chǎn)生激振力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)行失穩(wěn)，發(fā)生異常振動。由于氣流進(jìn)人密封腔后動能并不完全損失掉，還有一定余速，它不僅使氣流沿軸向流動，而且還以很大的圓周速度分量圍繞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，形成螺旋形流動。如果密封腔內(nèi)徑向間隙不均勻(加工精度偏差或轉(zhuǎn)子彎曲所致)，則氣流在密封腔中從進(jìn)口流向出口時隨著截面間隙的不斷變化，氣流沿著流動方向上的壓力不斷發(fā)生變化，因而在轉(zhuǎn)子周圍形成分布不均勻的激振力。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定轉(zhuǎn)速，隨著工作介質(zhì)壓力及負(fù)荷的變化，轉(zhuǎn)子會突然失穩(wěn)發(fā)生強(qiáng)烈振動。氣流激振發(fā)生時振動特征與油膜振蕩相似，其振動波形、頻譜軸心軌跡、進(jìn)動方式及相位變化與油膜振蕩很難區(qū)分，兩者的主要區(qū)別是敏感系數(shù)不同。密封間隙動力失穩(wěn)對設(shè)備工作介質(zhì)的壓力及負(fù)荷變化更為敏感，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值(一般為工作轉(zhuǎn)速大于或等于一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍)時，會突然失穩(wěn)。7. 葉輪積垢由于氣流中含有水分、雜質(zhì)、灰塵等，長期運(yùn)行后葉輪表面會產(chǎn)生積垢。葉輪積垢會破壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)原有的平衡性，且葉輪積垢在受到外力沖擊時的脫落具有不確定性，都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)行時的不平衡，致使空氣壓縮機(jī)的振幅升高。這將極大地影響空分設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。8. 軸向間隙變化轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，氣流沿軸向進(jìn)入葉輪，增壓后獲得能量成為高壓氣流，沿葉輪徑向流出。這樣便會在葉輪輪背與入口間形成壓力差，這個壓力差作用在葉輪表面，形成一部分不平衡的軸向力。同時，高速氣流沿軸向流入葉輪葉道，高速旋轉(zhuǎn)后又沿徑向從葉道中流出，由于軸向氣流動量的瞬時變化，形成了一種對葉輪表面的軸向沖擊力。該軸向沖力與作用于葉輪兩端的氣壓差共同推動轉(zhuǎn)子做軸向運(yùn)動，這兩種軸向力的矢量和形成了作用于轉(zhuǎn)子的軸向推力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中如不能有效平衡軸向力就會造成軸承工作環(huán)境的惡化并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向間隙的變化。軸向間隙變化會使運(yùn)行不穩(wěn)定，極易造成葉輪破損。9. 旋轉(zhuǎn)失速與喘振【5】當(dāng)離心式壓縮機(jī)工況發(fā)生變化時如果流過壓縮機(jī)的量減小到一定程度,進(jìn)入葉輪或擴(kuò)壓器的氣流方向發(fā)生變化,氣流向著葉片工作面產(chǎn)生沖擊,在葉片非工作面上產(chǎn)生很多氣流旋渦,旋渦逐漸增多,使流道流通面積減少。假如某流道中旋渦較多,多余的氣體就會進(jìn)入相鄰葉道,進(jìn)入前方葉道的氣體正好沖擊葉片非工作面,使旋渦減少,而進(jìn)入了后方葉道的氣體沖擊工作面使旋渦增多,堵塞流道的有效流通面積,迫使氣流折向其它流道。如此發(fā)展下去,旋渦組成的氣團(tuán)轉(zhuǎn)速反向傳播,并產(chǎn)生振動。旋轉(zhuǎn)失速的類型及特征：旋轉(zhuǎn)失速有漸進(jìn)型和突變型兩種。漸進(jìn)型失速是隨氣流量的減小,氣流堵塞區(qū)所占的面積是逐漸擴(kuò)大的;突變型失速是在氣量減少到一定程度后失速區(qū)迅速擴(kuò)大,占據(jù)較大面積,更容易產(chǎn)生較大的氣流脈沖,會引起強(qiáng)烈的機(jī)器和管道的振動。特征: (1)失速區(qū)內(nèi)氣體減速流動,依次在各個葉道內(nèi)出現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)方向相反做環(huán)向移動,葉輪內(nèi)壓力是軸不對稱的。(2)旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的振動基本頻率：葉輪失速在0. 50. 8轉(zhuǎn)速頻率，擴(kuò)壓器失速在0. 10. 5轉(zhuǎn)速頻率。 (3)壓縮機(jī)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速后,壓力發(fā)生脈動,但流量基本不變。(4)旋轉(zhuǎn)失速引起的振動強(qiáng)度比喘振小。喘振是突變型失速的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)氣量進(jìn)一步減小時,壓縮機(jī)整個流量被氣體旋渦區(qū)所占據(jù),這時壓縮機(jī)出口壓力會突然下降。但是有較大容量的管網(wǎng)壓力并不會馬上下降,出現(xiàn)管網(wǎng)氣體向壓縮機(jī)倒流現(xiàn)象。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到低于壓縮機(jī)出口壓力時,氣體倒流停止,壓縮機(jī)又恢復(fù)到原來壓力后,又會出現(xiàn)整個流道內(nèi)的旋渦區(qū)。這樣周而復(fù)始,出現(xiàn)了壓力和流量周期性的脈動,并發(fā)出低頻吼叫,機(jī)組產(chǎn)生劇烈振動。振動振幅和頻率與管網(wǎng)容積大小密切相關(guān)。管網(wǎng)容量越大,喘振頻率越低,振幅越大。多數(shù)大容量機(jī)組的振 動頻率1Hz。喘振產(chǎn)生的原因是: (1)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降而出口壓力未下降; (2)管網(wǎng)壓力升高; (3)壓縮機(jī)流量下降; (4)壓縮進(jìn)氣溫度高; (5)分子量減小; (6)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力下降或入口管網(wǎng)阻力增大。10. 耦合故障耦合故障是指系統(tǒng)中同時存在兩種以上的故障。綜上所述，控制空分設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性關(guān)鍵問題就在于控制空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)和葉輪的運(yùn)動穩(wěn)定性?！?】 周鑫寶 大型空分設(shè)備界區(qū)噪聲控制與治理 深冷