透平壓縮機常見振動故障分析與處理

       透平壓縮機是一種葉片式旋轉(zhuǎn)機械，一般由吸氣室、葉輪、擴壓器、彎道、回流器和蝸殼等組成。它利用葉片與氣體的相互作用，提高氣體的壓力和動能，并利用相繼的通流元件使氣流減速，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ奶岣�。透平壓縮機廣泛應用于石油、化工、天然氣、冶煉、制冷和礦山等經(jīng)濟領域，其性能的優(yōu)劣直接影響整個生產(chǎn)裝置的經(jīng)濟效益，其安全運行與整個生產(chǎn)裝置的可靠性緊密相關，因而成為備受關注的心臟設備，在許多領域中是其他類型壓縮機所無法替代的。透平壓縮機按氣體主要運動方向可以分為離心式、軸流式和軸流離心組合式。
現(xiàn)代高性能透平壓縮機的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速、高壓力、輕重量、高效率、單機大功率和愈益增高的功率密度。高速、高壓和輕重量的機器意味著它的旋轉(zhuǎn)部件必須設計成撓性結(jié)構(gòu)，因此現(xiàn)在很多透平壓縮機轉(zhuǎn)子常使工作轉(zhuǎn)速超越其一階乃至二階或三階臨界轉(zhuǎn)速，這種轉(zhuǎn)子一旦發(fā)生共振或自激振動，轉(zhuǎn)子由運動而貯存的應變能不斷釋放，將對包括軸承在內(nèi)的靜子部件產(chǎn)生強大的激振力。高功率密度與機器的撓性結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，使得機器對于流體激勵或空氣動力激勵更為敏感，如果在轉(zhuǎn)子動力學上沒有處理好，就會使轉(zhuǎn)子在工作中失去穩(wěn)定。
       透平壓縮機的振動會產(chǎn)生噪聲、加快磨損、縮短機器的使用壽命和降低工作效率，嚴重的振動會使機器部件斷裂、轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，造成重大事故。為此，對透平壓縮機振動原因的分析十分必要，找出并消除振動故障，延長機組使用壽命，降低企業(yè)財產(chǎn)損失，同時可以為透平壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設計、制造和運行管理提供參考。
       一、轉(zhuǎn)子不平衡
       1、引起轉(zhuǎn)子不平衡振動的原因
       透平壓縮機轉(zhuǎn)子不平衡是引起機組振動的最突出的影響因素。隨著機組運轉(zhuǎn)時間的延長，轉(zhuǎn)子不可避免地會出現(xiàn)被沖刷、腐蝕、磨損、零件松動等現(xiàn)象，原來的平衡被破壞，從而產(chǎn)生靜不平衡和動不平衡力偶，形成不平衡振動，以致造成零件損壞，機組無法運行。
       引起轉(zhuǎn)子不平衡振動的原因主要有：①轉(zhuǎn)子平衡精度低；②齒輪聯(lián)軸節(jié)加工或安裝不當；③運輸或安裝中轉(zhuǎn)子被碰撞；④因停放時間過長而又保養(yǎng)不好，轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形；⑤熱脹冷縮不均勻使轉(zhuǎn)子彎曲；⑥葉輪積灰、腐蝕、沖刷磨損、鉚釘松動和脫落、葉輪局部破碎等引起轉(zhuǎn)子振動，表現(xiàn)為振動值隨著運行時問的延長而逐漸增大；⑦因某些部件過盈太小，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)中引起螺釘松動或脫落，表現(xiàn)為振動值突然升高。前5個原因引起的轉(zhuǎn)子不平衡振動在壓縮機試運行之初便會產(chǎn)生。
       2、振動特征
       轉(zhuǎn)子不平衡振動的特征為：①振動的時域波形近似為正弦波；②頻譜圖中，諧波能量集中于基頻，并且會出現(xiàn)較小的高次諧波，使整個頻譜呈所謂的“樅樹形”；③ 當工作轉(zhuǎn)速一定時，相位穩(wěn)定；④轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓；⑤從軸心軌跡觀察其進動特征為同步正進動。
       3、改進措施
       （1）事先對轉(zhuǎn)子的每一個零件進行良好的靜平衡試驗。組裝成轉(zhuǎn)子后，同樣先進行靜平衡試驗，然后進行動平衡試驗，精確校正轉(zhuǎn)子的動平衡，最大限度地降低不平衡量，降低轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，擴大轉(zhuǎn)子穩(wěn)定裕度，增加轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性。另外，運輸過程中要確保不碰撞轉(zhuǎn)子。
       （2）強化凈化效果，嚴格執(zhí)行凈化器的工藝操作規(guī)程。
       二、對中不良
       1、故障機理
       透平壓縮機各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸器連接來傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，由于機組的安裝誤差、工作狀態(tài)下熱膨脹、承載后的變形以及機組基礎的不均勻沉降等，可能會造成機組工作時各轉(zhuǎn)子軸線不對中。
       實際工程中遇到的轉(zhuǎn)子不對中故障大多數(shù)為齒式聯(lián)軸器不對中。由于不對中，改變了轉(zhuǎn)子軸頸與軸承瓦面的工作狀態(tài)，軸承受到附加徑向力和最大附加軸向力的作用，產(chǎn)生振動疊加波形，使軸承的承載能力和穩(wěn)定性降低。
       常見的引起對中不良的原因有：
       （1）不合理的找正順序。以變速機為準，兩邊找正壓縮機和電機。由于壓縮機正常運行和開停機時的熱脹冷縮效應，變速機和壓縮機的位置偏移值增大，使不對中情況加劇，造成振動值增高。
       （2）設備找正安裝后啟動，由于機組啟動電流大，瞬間扭力也很大，造成電機有微量位移，運行產(chǎn)生的振動就會很大。
       （3）聯(lián)軸器安裝有誤、聯(lián)軸器制造不平衡、聯(lián)軸器端面偏差過大、彈性聯(lián)軸器制造精度不夠、銷釘不等重等原因也會造成聯(lián)軸器發(fā)生故障。
       2、振動特征
       對中不良引起的振動主要特征為：①故障的特征頻率為角頻率的2倍；② 由不對中故障產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)子的激勵力隨轉(zhuǎn)速的升高而加大；③激勵力與不對中量成正比，隨不對中量的增加，激勵力呈線性增大；④聯(lián)軸器同一側(cè)相互垂直的兩個方向，2倍頻的相位差是基頻的2倍；聯(lián)軸器兩側(cè)同一方向的相位在平行位移不對中時為0°，在角位移不對中時為180°，綜合位移不對中時為0°～180°。
       3、改進措施
       （1）以壓縮機為準找正，并且每次先把壓縮機地腳螺栓松開，使其在冷態(tài)時自由平衡，再緊固地腳螺栓，使壓縮機固定，然后以壓縮機為準找正電機。
       （2）在檢驗中，嚴格按照規(guī)程和標準要求，認真對聯(lián)軸器進行找正，使找正數(shù)據(jù)控制在要求范圍內(nèi)，并認真檢查拆開的齒式聯(lián)軸器和軸承瓦面，使之達到零件使用標準，保證對中找正數(shù)據(jù)準確。
       三、軸承故障
       軸承故障是引起透平壓縮機振動的關鍵所在，若選擇不當，會造成整機劇烈振動。
       1、油膜渦動
       油膜渦動是徑向滑動軸承在流體動力潤滑條件下，軸頸位置發(fā)生振蕩的一種形式。這是由于轉(zhuǎn)子制造精度低或動平衡不好以及軸承8個動力特性參數(shù)選擇配合不當，使軸頸受外界擾動力的作用而失去平衡，軸頸發(fā)生偏移，在外載荷與油膜力矢量差的作用下，軸頸沿偏移的中心位置轉(zhuǎn)動，在繼續(xù)運轉(zhuǎn)中就會出現(xiàn)油膜半速渦動。它對轉(zhuǎn)子和軸的壽命影響程度超過工頻振動的影響，使轉(zhuǎn)子振動總量增大。
       處理辦法：
       （1）不刮削或少刮削軸瓦，也就是說整體提高加工精度，使橢圓軸承在機床上加工成型，從而保證了壓縮機軸承的特性要求，也是消除油膜半速渦動的最好辦法。
       （2）軸瓦的間隙應在滿足軸頸冷卻油量的要求下盡量小一點，才能使油膜穩(wěn)定。軸瓦的間隙過大，潤滑油容易從軸瓦間隙中流出，軸瓦內(nèi)的油膜就難以穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中，由于瓦背對軸頸的回擊力，容易使轉(zhuǎn)子發(fā)生振動。
       （3）軸頸和下軸瓦的接觸情況對油膜穩(wěn)定性有很大影響，軸頸和下軸瓦的接觸角在最下部應約為60°，接觸面應沿軸瓦長度方向均勻分布。在接觸面和非接觸面之間，不應有明顯的分界線。
       2、油膜振蕩
       滑動軸承中的軸頸在做高速偏心旋轉(zhuǎn)時，流體對軸頸產(chǎn)生了非對稱動壓力（油楔力），其切向分力推動軸頸向前做渦動運動，在增大的離心力作用下渦動半徑增大，最小間隙側(cè)的間隙愈小，壓力差愈大，形成的切向力也愈大，如果超過了系統(tǒng)的阻尼力，則轉(zhuǎn)子就失去了平穩(wěn)。對于轉(zhuǎn)速超過2倍一階臨界轉(zhuǎn)速的撓性轉(zhuǎn)子，系統(tǒng)如果沒有足夠的阻尼力，就會發(fā)生油膜振蕩。
       油膜振蕩的特征：油膜振蕩與軸承結(jié)構(gòu)形式、油黏度、溫度、轉(zhuǎn)子載荷與轉(zhuǎn)速等因素有關。由于軸承壁面摩擦油的黏性以及油向軸承兩側(cè)泄漏的原因使油膜振蕩頻率小于50%轉(zhuǎn)速頻率，為工作轉(zhuǎn)速的41%～49% ，與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階自振頻率相吻合，因此須避免機器工作轉(zhuǎn)速處于2倍一階自振頻率的附近。
       實踐證明偏心率大的軸承不易出現(xiàn)油膜振蕩，就是由于承載油膜的剛度與阻尼較大。因此，為了提高油膜軸承運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，應設法增大軸承的偏心率。具體方法是：在軸承中部開一條周向溝槽（這樣可增大比壓和偏心）；改變軸承間隙，適當加深油楔深度；抬高油膜振蕩軸承的標高，以提高比壓；適當提高油溫，降低油黏度，從而增加偏心距，有利于提高失穩(wěn)轉(zhuǎn)速等。
       四、軸向竄動
       由于葉輪的輪盤和輪蓋兩側(cè)所受的氣體作用力不同，相互抵消后，還會剩下一部分軸向力作用于轉(zhuǎn)子，所有葉輪軸向力的代數(shù)和就是整個轉(zhuǎn)子的氣體軸向推力，作用方向一般是從高壓端指向低壓端。轉(zhuǎn)子的軸向推力經(jīng)平衡后，剩下的軸向推力由推力軸承來承擔，如果推力過大，會影響軸承壽命，嚴重的會使軸瓦燒壞，引起轉(zhuǎn)子竄動，使轉(zhuǎn)子上的零件與固定元件碰撞，以致機器損壞。因此，在運行中必須嚴密注視軸向推力的變化，確保機器安全運轉(zhuǎn)。
影響轉(zhuǎn)子軸向推力的因素很多，有結(jié)構(gòu)方面的，也有運行方面的。
       （1）壓縮機出口超壓。造成超壓的原因很多，如轉(zhuǎn)速升高或在轉(zhuǎn)速不變的情況下減量生產(chǎn)，可能使排氣壓力增加，使軸向推力增加。
       （2）輪蓋密封、定距套密封損壞。葉輪內(nèi)泄漏量對軸向推力有很大影響，如果密封片磨損，使間隙增加，或者密封齒間被臟物堵塞，密封效果變差，都會增加泄漏量，從而使轉(zhuǎn)子的軸向推力加大。密封裝置嚴重損壞，軸向推力增大很多，可能造成止推軸承燒壞。
       （3）平衡管密封裝置損壞，或者平衡管堵塞，都會使平衡管的軸向力減小，從而增加轉(zhuǎn)子的軸向推力。
       （4）氧化器止逆閥開啟不暢或者氧化器氣體分布花板孔眼被堵。
       （5）吸收塔排酸不及時。
       （6）潤滑油的供給壓力是形成油膜并承載軸向力的關鍵。如果油品的質(zhì)量差，如機械雜質(zhì)含量高，油品中夾帶的固體顆粒狀的雜質(zhì)就會使止推軸瓦上的巴氏合金磨損，使軸位移數(shù)值往正方向移動增大；若是油品的酸值增高，也會使止推軸瓦上的巴氏合金被腐蝕，使軸位移數(shù)值正向移動；潤滑油的運動黏度過高或者過低，都會影響供油壓力，直接與油膜的形成以及承載能力有關（油壓力低使得承載能力下降，也會造成軸位移數(shù)值增大）；若是油品的抗乳化度時間過長，使?jié)櫥�油乳化，供油壓力顯然也會大受影響，供油不足，使油膜承載能力下降，這種情況也會使軸位移正向移動。
       處理辦法：監(jiān)視止推軸瓦溫度和軸承潤滑油溫度的變化情況；設置軸向位移指示器，利用應變片做感測元件直接測量軸向推力值。
       五、喘振
       喘振是透平壓縮機中離心壓縮機所固有的一種現(xiàn)象，是使離心壓縮機損壞的重要原因。喘振會使壓縮機的轉(zhuǎn)子和定子的元件經(jīng)受交變的動應力；級間壓力失調(diào)引起強烈的振動，使密封和軸承損壞；甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子與定子元件相碰、壓送的氣體外泄、引起爆炸等惡性事故。因此很多學者、專家都在研究更好、更有效地防喘振的措施，以提高離心壓縮機的抗喘振能力，避免喘振發(fā)生。
       1、喘振的產(chǎn)生
       當離心壓縮機的工作流量小于最小流量時，氣流在葉片進口處對葉片產(chǎn)生沖擊，使葉片一側(cè)氣流邊界層嚴重分離，出現(xiàn)旋渦區(qū)，從而形成旋轉(zhuǎn)脫離或旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。此時離心壓縮機葉片不能提供足夠的能量來克服通過壓縮機時的壓能損失，機器出口壓力比進口壓力大，造成氣體反向流動，在離心壓縮機中形成嚴重脈動，從而發(fā)生喘振。
影響喘振的主要因素有：
       （1）離心壓縮機性能變化對喘振的影響。當轉(zhuǎn)速減小時，離心壓縮機的葉輪對氣體所做的功將減少，在相同的容積流量下，氣體壓力減��；當進氣壓力減小時，會引起性能曲線發(fā)生移動；進氣溫度升高，將使壓縮機的性能曲線下移。以上情況都有可能引起離心壓縮機的工作點落在喘振線上，發(fā)生喘振。
       （2）管網(wǎng)的性能變化對喘振的影響。在管網(wǎng)具有一定容量的情況下，壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作的工況點位于壓縮機性能曲線的左支時，壓縮機中的旋轉(zhuǎn)脫離會產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。這是因為當管網(wǎng)的容量很大時，進入管網(wǎng)流量的瞬間微小變化，不足以立即引起管網(wǎng)大容器中壓力的反應。管網(wǎng)的容量愈大，喘振的頻率愈低，喘振的振幅愈大；管網(wǎng)的容量愈小，喘振的頻率愈高，喘振的振幅愈小。喘振的頻率大體上與管網(wǎng)容量的平方根成反比。
       （3）離心壓縮機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對喘振的影響。如入口導葉開度的變化會引起壓縮機性能曲線的變化，喘振流量也會隨之變化。除此之外，還有葉輪的結(jié)構(gòu)和擴壓器的結(jié)構(gòu)對離心壓縮機的喘振工況和阻塞工況都有影響。
       （4）防喘振控制系統(tǒng)設計對喘振的影響。在設計防喘振控制系統(tǒng)時，防喘振閥（旁通閥、回流閥或放空閥）流通量不足，會造成防喘振控制系統(tǒng)遲緩率增高等。
       （5）吸入氣體分子量的變化對喘振的影響。當吸入氣體的分子量變化時，在相同的吸入氣體流量下，壓縮機的性能曲線會隨著分子量的增大而上移，進入喘振區(qū)。
       2、防喘振的措施
       防喘振控制技術主要分為喘振被動控制和喘振主動控制。
       （1）喘振被動控制
       離心壓縮機喘振被動控制方法是在系統(tǒng)工作的最小流量點與喘振點之間留有足夠大的喘振區(qū)域，阻止運行點到達喘振點。對于空氣壓縮機，通過打開放空閥維持最小流量來防止發(fā)生喘振。對于其他介質(zhì)的離心壓縮機，通過打開連接壓縮機出口與入口的回流閥，維持最小流量防止喘振發(fā)生。喘振被動控制策略共有4種。
       ① 在喘振點進行閉環(huán)控制（如圖1 所示）。在壓縮機控制軟件中，于喘振線右側(cè)建立了喘振控制線SCL，SCL與恒定轉(zhuǎn)速線交點即為喘振控制點，當運行點OP快到達喘振控制點時，控制器則打開回流閥；當OP緩慢移動時，防喘振控制將以控制的PID回路打開回流閥，使OP保持在喘振控制點處。（圖1 典型離心壓縮機運行曲線與喘振被動控制示意圖）

       ② 快開線RAMP開環(huán)控制。由于防喘振控制并不能控制運行點移動速率，只能對引起運行點加快移動的因素進行預測補償，壓縮機控制軟件在喘振線與喘振控制線之間建立第二條線（快開線RAMP，見圖1）。如果防喘振控制無法將運行線保持在喘振控制線的右側(cè)，當運行點快到RAMP時，防喘振控制將向回流閥發(fā)出信號，使其開啟至預定開度。來自控制器的信號為階躍信號，回流閥響應模式為快速開啟動作，即開環(huán)控制動作（如圖2所示）。之后，開環(huán)控制回路要求防喘振控制等待一小段時間，如果OP停止移動就開始關閉回流閥，直至命令信號達到PID回路設置值。如果第一次開環(huán)控制后，OP仍向喘振點移動，防喘控制將再次利用開環(huán)控制開啟回流閥。（圖2 開環(huán)快速率反應控制）

       ③ 微分控制。如果運行點快速移動，而回流閥和管路回路延時較大，防喘振控制應預測到運行點將超過喘振控制點的情況，即微分控制測出運行點的快速移動，在運行點到達喘振控制線之前，向回流閥發(fā)出命令。在哪點給出命令開啟回流閥，決定于運行點移動速率和回流閥響應時間，因為控制系統(tǒng)必須在運行點到達喘振控制線之前使閥門有足夠開度。
       ④ 喘振檢測盡管有前面三種控制方法，但在極特殊情況下，OP仍可能達到喘振控制線。此時控制系統(tǒng)必須意識到已發(fā)生第一次喘振，并盡力防止發(fā)生第二次喘振。這種被動控制曾得到廣泛應用，但這種控制方法是以降低壓縮機“喘振裕度”實際工作范圍，即犧牲壓縮機某些性能為代價。
       （2）喘振主動控制
       隨著離心壓縮機向高壓比、高轉(zhuǎn)速和高性能方向發(fā)展，以及人們對壓縮系統(tǒng)失速問題研究的深入，并且伴隨著微電子技術、測試技術和控制技術的發(fā)展， 在1985 年前后由Epstein、Ffowcs Williams和Greitzer提出了對葉輪機械壓縮系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象實施主動控制的設想，從此開始了喘振主動控制的研究。主動控制的最大收益就是使壓縮機工作在特性線高壓比區(qū)域，充分發(fā)揮壓縮機性能。Pinsley等人在壓縮機下游安裝了一臺伺服閥門控制器，實時分析容腔內(nèi)動態(tài)壓力擾動的特征，通過控制器操縱伺服動作機構(gòu)動作，可以越過原有的喘振邊界，流量可降低大約25%。Gysling等人開辟了離心壓縮機喘振現(xiàn)象結(jié)構(gòu)控制的先例，動作機構(gòu)機械原理是簡單的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)。通過壓縮機出口下游可移動壁面的調(diào)節(jié)來吸收壓縮機在喘振區(qū)域內(nèi)最初的壓力擾動能量，從而抑制這類有可能誘發(fā)喘振的最初擾動。結(jié)果表明：將喘振邊界向左移動了一段，運行工況擴大了約25%。1996年，W.M.Jungowski在一臺壓縮機上對主動及被動控制進行研究，指出用緊密連接壓縮機的球閥進行控制，甚至在流量一直減少到零時也不發(fā)生喘振。用滑閥進行主動控制時有效果，但是同時采用的一個被動節(jié)流閥會降低壓縮機效率。如果在壓縮機的旁通管放置一個振蕩器，可以不用節(jié)流閥就可以達到主動控制的目的，兩種主動控制方法都可以使壓縮機臨界流量降低30%。
       六、結(jié)束語
       透平壓縮機在長期的運行過程中，由于操作維護不當、金屬損耗、超周期運轉(zhuǎn)、超負荷運行等原因，總會發(fā)生一些故障。一般情況下，透平壓縮機運行參數(shù)變化都是一個漸變的過程，只要平時加強巡查，精心維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理隱患，就能夠避免發(fā)生大的設備事故。但由于部件材質(zhì)、制造等缺陷引發(fā)的突發(fā)故障不可控，只有通過選擇質(zhì)量好的設備和嚴把安裝質(zhì)量關來盡量避免故障發(fā)生。