普及工业设备管理技术/工业设备人的精神角落 旋转失速与喘振是高速离心压缩机特有的一种振动故障。这种故障是由于流体流动分离造成的,设备本身一般没有明显的结构缺陷,因而不需要停工检修,通过调节流量即可使振动减至允许值。 当旋转脱离进一步发展为喘振时,不仅会引起机组效率下降,而且还会对机器造成严重危害。喘振会导致机器内部密封件、轴承等损坏,严重的甚至会导致转子弯曲、联轴器损坏。喘振是离心压缩机等流体机械运行最恶劣、最危险的工况之一,对机器危害很大。对这种危害性极大但又不需要停机即可处理的故障,最能显示出状态监测与故障诊断工作的作用与效益。 1.旋转失速 图1 旋转失速的形成 2.旋转失速频率 对此,国内外的科研机构除了进行大量的理论研究外,还在试验室进行了大量的实际测试。B. F. J.Cossar等人在轴流压缩机上做了大量测试,结果表明,旋转失速区是先在叶片的尾部出现,然后向级前移动,大约相对转动20°才到达叶片的前缘。 事实上,失速区的形成是一个相当复杂的流体动力过程。失速频率还与叶片进口气流是否存在畸变、入口气流方向角β1与叶片入口安装角βS之间的差值(称为冲角)大小以及压缩机的级数等因素有密切关系。B. F. J . Cossar在试验中利用在压缩机进口处安装低孔率金属丝网的方法,测得失速频率为转速频率的1/2,与理论研究计算的失速频率为转速频率的1/3有一定差异。 N. A. Cumpsty的试验模型指出,旋转失速频率在转速频率的1/5~1/2的范围内,随缩机级数的增加,旋转失速区的传播速度逐渐接近于转子转速的40%。 日本振动专家白木万博介绍,根据机器种类不同,旋转失速区传播速度为转子转速的0.2~0.5。意大利NUOVO PIGNOVE公司的压缩机组在我国石化行业应用较多,该公司对于按他们图纸制造的在大化肥尿素装置使用CO2压缩机,提出旋转失速区的传播速度可以按下面的经验公式计算: (1-1) 式中:Q0p—发生旋转失速时的实际流量; 图2 两种失速状态 据此公式计算出的旋转失速区传播速度约为转子旋转速度的0.3~0.45。 另外,轮毂比(即叶轮流道的内径与外径之比)对失速区的传播速度有很大影响。大轮毂比叶轮会出现整个半径方向失速,即失速区从叶片根部到叶片顶部的整个范围内都出现,称为全半径失速〔图2 (a)〕小轮毂比叶轮一般只在半径方向上的部分失速,即失速区只占据流道长度的一部分[图2(b)]。就失速状态来说,全半径失速比部分半径失速要严重,即叶栅内的流体会引起较强的压力脉动。 3.旋转失速的振动机理 从固定于叶轮上的相对坐标系来看,旋转脱离团以角频率ωs在机器流道间传播,由于压力波动激励转子的振动频率为ωs,其振动频率小于转子的角频率ω。而从叶轮之外的绝对坐标系来看,旋转脱离团是以(ω~ωs)的频率旋转的,其方向与转子的旋转方向相同因此,流体机械发生旋转失速时,转子的异常振动同时有ωs和(ω~ωs)两个次谐波特征频率。 机组发生旋转失速时,可能是在某一级叶轮上有一个气体脱离团,也可能是在某级叶轮上存在几个脱离团;脱离团可能在某一级叶轮上发生,也可能同时在几级叶轮上同时发生。一般机器发生旋转失速故障时常有两个或两个以上气体脱离团。实际生产中,机器发生旋转失速的角频率ωs参考式(1-1),可按下式计算: (1-2) 式中:ω—转子角频率; 流体机械的旋转失速故障一般来说总是存在的,但它并不一定能激励转子使机组发生强烈振动,只有当旋转失速的频率与机组的某一固有频率耦合时,机器才有可能发生共振,出现危险振动。 1.喘振 如图3所示,离心式压缩机具有这样的特性,对于一个确定的转速,总对应一个流量值,压缩机效率达到最高点。当流量大于或小于此值时,效率都将下降。一般常以此流量的工况点为设计工况点。 压缩机的性能曲线左边受到喘振工况(Qmin )的限制,右边受到堵塞工况(Qmax)的限制,在这二者之间的区域,称为压缩机的稳定工况区域。稳定工况区域的大小,是衡量压缩机性能的重要指标。 图3 压缩机性能曲线 当压缩机在运行过程中,若因外部原因使流量不断减小达到Qmin值时,就会在压缩机流道中出现严重的旋转脱离,若气量进一步减小时,压缩机叶轮的整个流道被气流旋涡区所占据,这时压缩机的出口压力将突然下降。但是,压缩机出口所连接的较大容量的管网系统中压力并不马上下降,此时会出现管网中气体向压缩机倒流的现象。当管网中压力下降到低于压缩机出口排气压力时,气体倒流会停止,压缩机又恢复向管网排气。然而,因为进气量的不足,压缩机在出口管网恢复到原来的压力以后,又会在流道内出现旋涡区。如此周而复始,机组和管道内的流量会发生周期性变化,机器进出口压力会大幅度脉动。由于气体在压缩机进出口处吞吐倒流,会伴随有巨大周期性的气流吼声和剧烈的机器振动,这些波动在仪表操作盘的压力、流量、振动信号显示、记录中可以清楚地反映出来,在操作现场也可以立即觉察得到。 由喘振引起的机器振动频率、振幅与管网容积大小密切相关,管网容积越大,喘振频率越低,振幅越大。一些机器的排气管网容量非常大,此时喘振频率甚至小于1Hz。 2.喘振的故障特征 (2)压缩机在稳定工况下运行时,其出口压力和进口流量变化不大,所测得的数据在平均值附近波动,幅度很小。当接近或进人喘振工况时,出口压力和进口流量的变化都很大,会发生周期性大幅度的脉动,有时甚至会出现气体从压缩机进口倒流的现象。 (3)压缩机在稳定运转时,其噪声较小且是连续性的。当接近喘振工况时,由于整个系统产生气流周期性的振荡,因而在气流管道中,气流发出的噪声也时高时低,产生周期性变化。当进入喘振工况时,噪声增剧,甚至有爆声出现。 |
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