太興宇 李 云 孟繼綱 孫玉瑩 肖忠會(huì) 馬志宏

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

離心壓縮機(jī)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種，其主要功能主要是由旋轉(zhuǎn)部件來(lái)完成的，轉(zhuǎn)子是其最主要的部件。對(duì)于離心壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)設(shè)備處于小流量區(qū)，或者各級(jí)間氣體流量匹配不合理而導(dǎo)致某一級(jí)葉輪處于小流量區(qū)時(shí)，就容易引發(fā)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生頻率較低的次同步振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)水平超標(biāo)。而對(duì)于這類(lèi)振動(dòng)，雖然從振動(dòng)特征上可以確定故障類(lèi)型，但是，如何明確導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)載荷的原因，是一件很困難的事。

本文針對(duì)一臺(tái)二氧化碳離心壓縮機(jī)，記錄了其在試車(chē)過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)該機(jī)組振動(dòng)故障的分析和排查，鎖定故障源，并實(shí)施了有效的處理措施，為今后該類(lèi)故障的排查和治理提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)組概況

該二氧化碳離心壓縮機(jī)試車(chē)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖1 所示。壓縮機(jī)共分3段，7級(jí)葉輪，其中，1，2段分別在非驅(qū)動(dòng)端和驅(qū)動(dòng)端，3段在中間；采用無(wú)葉擴(kuò)壓器；出口設(shè)計(jì)壓力為43bar。轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)2036mm，跨距1620mm，額定轉(zhuǎn)速11659r/min，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。該壓縮機(jī)的1階臨界轉(zhuǎn)速為4337r/min。

圖1 機(jī)組試車(chē)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 The site of the compressor test

2 機(jī)組振動(dòng)情況

該機(jī)組在試車(chē)開(kāi)始的時(shí)候曾出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子密封失穩(wěn)現(xiàn)象。后通過(guò)增加反旋流裝置，即在各葉輪口圈密封進(jìn)口處增加阻旋柵，在平衡盤(pán)密封處增加反吹孔，再試車(chē)時(shí)已消除了轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。

在解決轉(zhuǎn)子密封動(dòng)力失穩(wěn)的問(wèn)題后，又進(jìn)行了多次試驗(yàn)，如表1 所示，但是轉(zhuǎn)子振動(dòng)超標(biāo)的情況始終沒(méi)有改善，如圖3所示。

表1 試驗(yàn)措施Tab.1 Experimental program adjustment

圖3 為壓縮機(jī)不同出口壓力下的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端振幅。可以看到，多次試驗(yàn)都表明，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)增長(zhǎng)與出口壓力呈正相關(guān)的關(guān)系。其中水平方向?yàn)閤向，垂直方向?yàn)閥向。

圖3 整體振動(dòng)幅值隨出口壓力變化趨勢(shì)Fig.3 Total vibration amplitude vs outlet pressure

隨出口壓力變化的轉(zhuǎn)子振動(dòng)圖譜如圖4 所示。從圖中可以看到，在大流量（低出口壓力）時(shí)，轉(zhuǎn)子就出現(xiàn)了次同步振動(dòng)，頻率特征為0.35倍頻，隨著出口壓力的增加，次同步振動(dòng)增加，并且逐步在低頻區(qū)出現(xiàn)密集的次諧波，主要集中在0.1～0.35倍頻。圖5為出口壓力為40 bar時(shí)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域波形和頻譜圖。

圖6 為轉(zhuǎn)子不同頻率成分幅值隨出口壓力的變化趨勢(shì)。從圖中可以看到，1 倍頻為主振頻率，隨著出口壓力增加，幅值略有增加；66Hz次諧波振動(dòng)一開(kāi)始便存在，并隨著出口壓力增加而增加；18.9Hz次諧波振動(dòng)在出口壓力為20bar時(shí)出現(xiàn)，也是隨著出口壓力增加而增加。

圖4 轉(zhuǎn)子振動(dòng)圖譜（第4次試驗(yàn)）Fig.4 Rotor vibration map(the fourth test)

圖5 轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)(出口壓力為40bar，轉(zhuǎn)速11340r/min)Fig.5 Rotor vibration responses(outlet pressure is 40 bar,rotating speed is 11340r/min)

除了檢測(cè)轉(zhuǎn)子振動(dòng)，對(duì)管路振動(dòng)也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖中結(jié)果可以清楚看到，2段出口和3段出口的管路振動(dòng)隨出口壓力變化明顯，并且，2段出口和3段出口在40bar時(shí)的振動(dòng)速度明顯高于1段進(jìn)出口和2，3 段進(jìn)口。而出口壓力為10bar 時(shí)，只有2段出口管路的振動(dòng)速度較大。

圖6 不同頻率成分變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of different frequency components

圖7 管路振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of pipeline vibration

3 原因分析

基于上述該二氧化碳?jí)嚎s機(jī)多次試車(chē)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以總結(jié)出以下特征：

頻率特征為0.1～0.35 倍頻；振動(dòng)隨負(fù)載變化；振動(dòng)波動(dòng)大；正進(jìn)動(dòng)；存在組合頻率；在大流量和設(shè)計(jì)流量時(shí)存在低頻振動(dòng)現(xiàn)象；設(shè)計(jì)流量下，2，3 段出口管路振動(dòng)明顯。

結(jié)合轉(zhuǎn)子常見(jiàn)的次同步振動(dòng)故障特征，進(jìn)行初步的故障排查，如圖8 所示。從圖8 可知，首先排除轉(zhuǎn)定子碰磨、內(nèi)摩擦以及油膜渦動(dòng)，動(dòng)力失穩(wěn)為前期振動(dòng)特征，在添加反旋流措施后已經(jīng)消除，那么與振動(dòng)特征關(guān)聯(lián)最大的就是旋轉(zhuǎn)失速。

圖8 故障篩選Fig.8 Fault screening

旋轉(zhuǎn)失速分為葉輪旋轉(zhuǎn)失速和擴(kuò)壓器旋轉(zhuǎn)失速。一般來(lái)說(shuō)，葉輪失速通常出現(xiàn)在小流量區(qū)，即接近喘振線(xiàn)附近。而擴(kuò)壓器失速通常主要與葉輪出口的流速以及擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)。從頻率特征上看，無(wú)葉擴(kuò)壓器的失速頻率為0.05～0.4倍頻，多數(shù)集中在0.1～0.22 倍頻[1-5]，如圖9所示。從該壓縮機(jī)的振動(dòng)頻率特征以及性能達(dá)標(biāo)的情況分析，基本確定導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生次同步振動(dòng)的原因是無(wú)葉擴(kuò)壓器旋轉(zhuǎn)失速。

圖9 進(jìn)口氣流角下的失速頻率比Fig.9 Stall frequency ratio vs inlet flow angle

通過(guò)振幅比，可以初步判斷出激振源的位置。因?yàn)閷?shí)際機(jī)組兩側(cè)支承軸承的剛度不會(huì)相差很大，旋轉(zhuǎn)失速導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子振動(dòng)屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，因此，振幅大的一側(cè)基本上就是激振源所在位置。如果振幅比為1，那么就存在轉(zhuǎn)子發(fā)生共振或者自激振動(dòng)的可能。圖10為轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率為0.2倍頻時(shí)，驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置的振幅比。從圖中可以看到，激勵(lì)源基本可以鎖定在驅(qū)動(dòng)端葉輪。再結(jié)合管路振動(dòng)結(jié)果，可以確定8#和6#葉輪出口擴(kuò)壓器存在旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)。

圖10 轉(zhuǎn)子振幅比Fig.10 Ratio of rotor vibration amplitude

圖11為通過(guò)擴(kuò)壓器的進(jìn)口氣流角來(lái)判斷擴(kuò)壓器中是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。其中，b2和R2分別為擴(kuò)壓器入口寬度和半徑。從圖中可以看到，從自身擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)上看，6#和8#葉輪都處在不發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的區(qū)域。擴(kuò)壓器中的旋轉(zhuǎn)失速并不一定是由擴(kuò)壓器本身產(chǎn)生的[8]，那么就有可能是上一級(jí)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)失速，進(jìn)而導(dǎo)致下游葉輪也出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。另外，也可能是蝸殼設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致流場(chǎng)較差，壓力脈動(dòng)傳遞到擴(kuò)壓器進(jìn)口，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況。

圖11 擴(kuò)壓器入射角評(píng)估Fig.11 Evaluation of diffuser inflow angle

5#葉輪在模型級(jí)實(shí)驗(yàn)中，馬赫數(shù)為0.95時(shí)壓力脈動(dòng)出現(xiàn)了0.1倍頻左右的頻率成分[9]，并且，除了在100%設(shè)計(jì)流量下，其他各流量點(diǎn)均存在低頻脈動(dòng)成分。而通過(guò)該機(jī)組5#葉輪工作點(diǎn)與其模型級(jí)試驗(yàn)測(cè)得的性能曲線(xiàn)相對(duì)照發(fā)現(xiàn)，5#葉輪實(shí)際已經(jīng)處于失速區(qū)了（90%設(shè)計(jì)流量），如圖12 所示。而從文獻(xiàn)[9]可知，5#葉輪的回流器對(duì)其失速狀態(tài)影響較大。這種下游結(jié)構(gòu)對(duì)上游的影響，文獻(xiàn)[10]也做了較為詳細(xì)的研究。

4 故障處理

基于上述分析，對(duì)該壓縮機(jī)再次進(jìn)行了調(diào)整：為了改善6#葉輪和5#葉輪的流場(chǎng)情況，更改了5#葉輪回流器葉片的預(yù)旋。同時(shí)，更換了質(zhì)量更小的聯(lián)軸器，重新做高速動(dòng)平衡。再次試車(chē)，整體振幅已經(jīng)低于25.4μm，滿(mǎn)足出廠(chǎng)要求。但是由于沒(méi)有對(duì)2，3 段的出口蝸殼進(jìn)行修改，依然有少量低頻成分存在。

實(shí)際上，因?yàn)楦骷?jí)匹配的原因，流道里的低速渦是不可避免的，而這些渦并不是都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生次同步振動(dòng)。這取決于這些低速渦的強(qiáng)弱、個(gè)數(shù)以及分布。一般來(lái)說(shuō)，高壓力、重介質(zhì)機(jī)組的激振力更大，而小轉(zhuǎn)子則是更容易被激振。這也是該機(jī)組先天參數(shù)所決定的。

圖12 葉輪性能曲線(xiàn)Fig.12 Impeller performance curve

5 結(jié)論

本文以某二氧化碳離心壓縮機(jī)為例，對(duì)該機(jī)組在廠(chǎng)內(nèi)試車(chē)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

1）該機(jī)組在大流量和設(shè)計(jì)流量的時(shí)候轉(zhuǎn)子就開(kāi)始發(fā)生次同步振動(dòng)，振動(dòng)頻率特征為0.1～0.3倍頻，性能指標(biāo)正常，因此判斷引起轉(zhuǎn)子次同步振動(dòng)的原因?yàn)槿~輪擴(kuò)壓器失速；

2）從管路振動(dòng)以及兩段軸承振幅比的特征可知，8#和6#葉輪出口擴(kuò)壓器存在旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)。從隨后的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這兩個(gè)葉輪發(fā)生擴(kuò)壓器失速的原因可能是其上下游流場(chǎng)狀態(tài)差導(dǎo)致的；

3）從5#葉輪模型級(jí)試驗(yàn)結(jié)果可知，該葉輪由于回流器的影響，存在低頻壓力脈動(dòng)。并且，壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)實(shí)際上處于該葉輪的小流量區(qū)。

最后，通過(guò)調(diào)整5#葉輪回流器葉片進(jìn)口預(yù)旋，使得轉(zhuǎn)子振幅降低。