大型空分装备运行稳定的影响因素总结.doc

大型空分装备运行稳定性的影响因素总结空分装备的运行稳定性是指空分装备在运行过程中，内部构件在外部载荷下，其振幅保持在一定范围内。其失稳的主要表现形式为部件工作异常，动力系统出现振荡、分叉以及混沌等动力学行为。影响稳定性的部件主要有转子轴承系统、叶轮、管道等。由于大型空分设备中使用的大多是离心压缩机【1】，离心压缩机在工作工程中不会引起明显的气流脉动，所以管道的振动主要是由空气压缩机的振动引起的。而转子轴承系统和叶轮则为空气压缩机的核心部件，因此空分装备的运行稳定性的核心问题即使空气压缩机的振动问题。引起空气压缩机运行不稳定的主要因素有：1. 转子的不平衡【2】旋转机械的转子由于受到材料质量和加工技术等各方面的影响,转子上的质量分布与中心线不可能绝对地轴对称,固此任何一个转子不可能做到绝对平衡,转子质量中心与旋转中心线之间总是有偏心距存在【3】。这就使得转子旋转时形成周期性离心力干扰,在轴承上产生动载荷,使机器产生振动。转子质量不平衡的原因有:设计问题、材料缺陷、加工与装配误差、工艺过程等问题。转子不平衡故障特征是:在转子径向测检的频谱图上,转速频率成分具有凸出的峰值;转速频率的高次谐波值很低，因此反映在时域波形图上是一个正弦波;对于普通两端支撑的转子,轴向测点上的振值并不明显。2. 转子的不对中转子不对中类型有平行不对中、角度不对中和组合不对中。其不对中的原因有:设计过程中热膨胀计算与实际有误差、安装或检修对中误差、导向系统未锁紧等。转子不对中引起的故障及特征：1)改变了轴承的油膜压力,负荷较小的轴承可能引起油膜失稳。往往是紧靠联轴器两端的轴承出现最大振动。2)不对中引起的振幅与转子的负荷有关,随负荷的增大而增大,位置低的轴承振幅比位置高的轴承振幅大,因为低位轴承被架空,油膜稳定性下降。3)平行不对中主要引起径向振动,角不对中主要引起轴向振动。4)不对中使联轴节两侧产生相位差。5)从振动频率上分析,不同形式的不对中产生不同的频率。3. 转子与气封之间的摩擦为了提高离心压缩机的效率,往往把密封间隙、叶轮顶间隙做得很小,以减小气体的泄漏。但是小间隙除了会引起流体动力激振外还容易发生转子与气封的碰磨。发生局部碰磨的特征：碰磨时,接触力和转子运动之间为非线性关系,使转子产生次谐波和高次谐波振动。局部碰磨一般是不对称的非线性振动,因此多数情况下产生转速频率的1/2次谐波振动,当转速高于转子一阶自振频率的2倍时,就会产生共振。4. 裂纹裂纹是由于加工误差，安装误差，意外冲击和疲劳破损造成，难发现，其造成的后果极为严重。5. 油膜振荡有些轻载转子,半速涡动在较低转速就产生了,使得转子变为不稳定,但由于油膜的刚性和阻尼作用,抑制了涡动幅度,使转子仍能平衡工作。随着转速的升高,半速涡动幅值逐渐增加,直到转速升高到第一临界转速的两倍附近时,涡动频率与转子一阶自振频率重合。转子轴承系统发生强烈的油膜共振,这种共振涡动称为油膜振荡,其频率为转子的一阶自振频率。油膜振荡的特征：油膜振荡往往十分剧烈,瞬时振幅突然升高,很快发生局部油膜破裂。引起轴颈与轴瓦间的磨擦,发出吼叫声,严重损坏轴承和转子。判别是否发生油膜振荡首先要看振动频率是否接近转速的1/2,但必须与动静磨擦区分开来,动静磨擦也发生半频振动。频谱、轴心轨迹及波形特征是: (1)较大的径向振动。频谱中有明显而稳定的涡动频率分量可能有高次谐波分量; (2)轴向振动在涡动频率处的分量较小; (3)若在一阶临界转速频率处出现峰值,则表明已出现油膜振荡; (4)轴心轨迹呈现双椭圆或紊乱不重合,轴心轨迹呈现内“8”字形; (5)时域波形中稳定的周期信号占优势,每转一周少于一个峰值,没有较大的加速度冲击现象6. 气流激振【4】气流激振产生的振动属密封间隙动力失稳的范畴，引起气流激振主要是在高速旋转的转子与定子小间隙处，由于密封间隙内压力径向分布不均产生激振力，导致转子运行失稳，发生异常振动。由于气流进人密封腔后动能并不完全损失掉，还有一定余速，它不仅使气流沿轴向流动，而且还以很大的圆周速度分量围绕转子转动，形成螺旋形流动。如果密封腔内径向间隙不均匀(加工精度偏差或转子弯曲所致)，则气流在密封腔中从进口流向出口时随着截面间隙的不断变化，气流沿着流动方向上的压力不断发生变化，因而在转子周围形成分布不均匀的激振力。当到达一定转速，随着工作介质压力及负荷的变化，转子会突然失稳发生强烈振动。气流激振发生时振动特征与油膜振荡相似，其振动波形、频谱轴心轨迹、进动方式及相位变化与油膜振荡很难区分，两者的主要区别是敏感系数不同。密封间隙动力失稳对设备工作介质的压力及负荷变化更为敏感，当工作转速达到某一值(一般为工作转速大于或等于一阶临界转速的2倍)时，会突然失稳。7. 叶轮积垢由于气流中含有水分、杂质、灰尘等，长期运行后叶轮表面会产生积垢。叶轮积垢会破坏转子系统原有的平衡性，且叶轮积垢在受到外力冲击时的脱落具有不确定性，都会导致转子运行时的不平衡，致使空气压缩机的振幅升高。这将极大地影响空分设备运行的稳定性。8. 轴向间隙变化转子高速旋转时，气流沿轴向进入叶轮，增压后获得能量成为高压气流，沿叶轮径向流出。这样便会在叶轮轮背与入口间形成压力差，这个压力差作用在叶轮表面，形成一部分不平衡的轴向力。同时，高速气流沿轴向流入叶轮叶道，高速旋转后又沿径向从叶道中流出，由于轴向气流动量的瞬时变化，形成了一种对叶轮表面的轴向冲击力。该轴向冲力与作用于叶轮两端的气压差共同推动转子做轴向运动，这两种轴向力的矢量和形成了作用于转子的轴向推力。在结构设计中如不能有效平衡轴向力就会造成轴承工作环境的恶化并导致转子轴向间隙的变化。轴向间隙变化会使运行不稳定，极易造成叶轮破损。9. 旋转失速与喘振【5】当离心式压缩机工况发生变化时如果流过压缩机的量减小到一定程度,进入叶轮或扩压器的气流方向发生变化,气流向着叶片工作面产生冲击,在叶片非工作面上产生很多气流旋涡,旋涡逐渐增多,使流道流通面积减少。假如某流道中旋涡较多,多余的气体就会进入相邻叶道,进入前方叶道的气体正好冲击叶片非工作面,使旋涡减少,而进入了后方叶道的气体冲击工作面使旋涡增多,堵塞流道的有效流通面积,迫使气流折向其它流道。如此发展下去,旋涡组成的气团转速反向传播,并产生振动。旋转失速的类型及特征：旋转失速有渐进型和突变型两种。渐进型失速是随气流量的减小,气流堵塞区所占的面积是逐渐扩大的;突变型失速是在气量减少到一定程度后失速区迅速扩大,占据较大面积,更容易产生较大的气流脉冲,会引起强烈的机器和管道的振动。特征: (1)失速区内气体减速流动,依次在各个叶道内出现与旋转方向相反做环向移动,叶轮内压力是轴不对称的。(2)旋转失速产生的振动基本频率：叶轮失速在0. 50. 8转速频率，扩压器失速在0. 10. 5转速频率。 (3)压缩机进入旋转失速后,压力发生脉动,但流量基本不变。(4)旋转失速引起的振动强度比喘振小。喘振是突变型失速的进一步发展。当气量进一步减小时,压缩机整个流量被气体旋涡区所占据,这时压缩机出口压力会突然下降。但是有较大容量的管网压力并不会马上下降,出现管网气体向压缩机倒流现象。当管网压力下降到低于压缩机出口压力时,气体倒流停止,压缩机又恢复到原来压力后,又会出现整个流道内的旋涡区。这样周而复始,出现了压力和流量周期性的脉动,并发出低频吼叫,机组产生剧烈振动。振动振幅和频率与管网容积大小密切相关。管网容量越大,喘振频率越低,振幅越大。多数大容量机组的振 动频率1Hz。喘振产生的原因是: (1)压缩机转速下降而出口压力未下降; (2)管网压力升高; (3)压缩机流量下降; (4)压缩进气温度高; (5)分子量减小; (6)压缩机进气压力下降或入口管网阻力增大。10. 耦合故障耦合故障是指系统中同时存在两种以上的故障。综上所述，控制空分设备的运行稳定性关键问题就在于控制空气压缩机的转子轴承系统和叶轮的运动稳定性。【1】 周鑫宝 大型空分设备界区噪声控制与治理 深冷