楊毅晟, 雷震, 閆喜強*
(1.華中科技大學機械科學與工程學院, 武漢 430070; 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所, 綿陽 621000)
隨著飛行器向超大型化、高速化和布局新型化的趨勢的發(fā)展,面臨跨聲速氣動特性精細化模擬、氣動彈性和機體/推進一體化設(shè)計等難題,而大型跨聲速風洞是開展上述研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。
根據(jù)風洞運行方式,跨聲速風洞有暫沖式和連續(xù)式兩種形式。暫沖式風洞一般系統(tǒng)簡單,建設(shè)成本低,但運行成本高,動態(tài)流場品質(zhì)難以保證,典型代表是中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)的2.4 m×2.4 m跨聲速風洞[2]。連續(xù)式風洞系統(tǒng)復雜,建設(shè)成本高,但具有運行效率高、成本低、動態(tài)流場品質(zhì)好等優(yōu)點,國內(nèi)典型代表是CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風洞[3]。為滿足翼展超過60 m的大型飛行器精確氣動力試驗、全機氣動彈性預測與設(shè)計考核等需求,要求跨聲速風洞試驗段尺寸在4.5~5 m量級[4-5],國內(nèi)現(xiàn)有跨聲速風洞均不能完全滿足需求,因此開展大型連續(xù)式跨聲速風洞論證建設(shè)是十分必要的。為確保大型連續(xù)式風洞設(shè)計建設(shè)順利進行,有必要開展發(fā)行風洞軸流壓縮機研制關(guān)鍵技術(shù)研究,并梳理軸流壓縮機典型故障,分析產(chǎn)生原因和具體解決措施;充分借鑒行業(yè)經(jīng)驗,預測壓縮機潛在故障,制定故障解決預案,為大型風洞軸流壓縮機研制提供借鑒和參考。
軸流壓縮機是一種把原動機的機械能轉(zhuǎn)化為氣體能量的機械裝置,具有高效、低耗、環(huán)保、造價低、安裝及維護簡便等優(yōu)點,廣泛應用于航空、冶金、石化、輕工、建材、電力等領(lǐng)域[5]。工業(yè)用軸流壓縮機可在極端嚴苛工況下服役,但工況范圍較窄,主要在設(shè)計點附近運行,目前多已形成系列化產(chǎn)品。與工業(yè)壓縮機不同的是,為了實現(xiàn)風洞寬廣的馬赫數(shù)調(diào)節(jié)能力,壓縮機必須具有效率高、工作轉(zhuǎn)速范圍廣、輸出功率大和喘振裕度大等特點[1,5-9],對軸流壓縮機的性能可靠性、結(jié)構(gòu)合理性、運行穩(wěn)定性提出了更高要求。
大型風洞壓縮機由于流量超出了系列化產(chǎn)品范圍,一般通過對工業(yè)軸流壓縮機?;O(shè)計得到,其原理及主體結(jié)構(gòu)與工業(yè)軸流壓縮機是類似的,因而針對常規(guī)軸流壓縮機故障和問題的研究,仍然對大型風洞壓縮機研制具有指導意義。
在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)共檢索軸流壓縮機故障相關(guān)文獻52篇,通過文獻分析發(fā)現(xiàn):壓縮機振動異常在所有故障類型中36.5%;葉片斷裂占比11.5%;軸向力失衡占比7.7%;軸承故障占比5.8%;工藝制造相關(guān)問題占比17.3%;靜葉承缸故障、密封失效等其他類型故障占比21.2%,分布如圖1所示。結(jié)合風洞壓縮機實際運行情況,主要針對機組振動、葉片斷裂、軸向力失衡和軸承故障等4類故障進行典型案例分析。
圖1 軸流壓縮機典型故障文獻分析圖
案例1:南昌鋼鐵廠軸流壓縮機組[10]在運行一個月后振動逐漸增大,在工況改變瞬間出現(xiàn)如圖2所示的振動突變現(xiàn)象,并逐漸演變?yōu)殡S機性的頻繁振動突變,嚴重影響機組安全。經(jīng)初步檢測發(fā)現(xiàn)機組進排氣側(cè)振動變化呈相反趨勢,頻譜信號主要為工頻信號,且相位保持不變。同時,機組靜子部件未檢測出明顯振動,主軸跳動無明顯變化。根據(jù)上述特征可推測故障發(fā)生在壓縮機轉(zhuǎn)子和軸瓦上,經(jīng)開蓋檢修發(fā)現(xiàn)該機組軸承緊力消失、氣封和油封出現(xiàn)磨損。調(diào)整軸承預緊力和密封間隙后,振動突變和不穩(wěn)定現(xiàn)象消失。該機組故障屬于典型的工頻振動,但其原因在于軸瓦緊力消失所導致的系統(tǒng)動剛度降低,而不是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子不平衡。
圖2 振幅突變過程[10]
案例2:西安陜鼓動力股份有限公司生產(chǎn)的全靜葉可調(diào)式15級軸流壓縮機組在穩(wěn)定工況運行時出現(xiàn)間歇性劇烈振動,觸發(fā)故障預警[11]。經(jīng)對機組運行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)突變后機組振動能量主要集中在0.34倍頻處,其余頻率與之前基本一致;突變后轉(zhuǎn)子初相點的相對位置呈現(xiàn)不規(guī)則、劇烈變化狀態(tài)。結(jié)合機組轉(zhuǎn)子動力學分析,發(fā)現(xiàn)振動主頻接近軸系一階臨界轉(zhuǎn)速(0.32倍頻),符合典型的轉(zhuǎn)子低頻自激振動故障特征,可推測的故障原因有氣流激振和油膜渦動(油膜振蕩)兩種。
通過變轉(zhuǎn)速試驗對比發(fā)現(xiàn)壓縮機轉(zhuǎn)速變化對于轉(zhuǎn)子的振動波動有顯著影響,因此可初步診斷該故障為由油膜渦動引起的機組振動,且渦動頻率與轉(zhuǎn)子一階固有頻率接近是出現(xiàn)劇烈波動的主要原因。經(jīng)開蓋檢查發(fā)現(xiàn)機組部分靜葉出現(xiàn)松動,與轉(zhuǎn)子存在明顯的摩擦現(xiàn)象,且軸承間隙已增大至技術(shù)要求的上限值,使得發(fā)生油膜渦動乃至油膜振蕩的可能性增加。通過更換老化的靜葉O形圈來消除靜葉與轉(zhuǎn)子間的摩擦,并縮小進氣側(cè)軸承頂隙以提高軸承穩(wěn)定性,機組的振動間歇波動完全消除。
振動異常是壓縮機運行中經(jīng)常出現(xiàn)的故障類型之一,包括同頻振動和異頻振動。同頻振動是指振動頻率與機組轉(zhuǎn)動頻率相重合,多是由轉(zhuǎn)子動平衡問題或者運行工況接近機組臨界轉(zhuǎn)速引起。異頻振動又可細分為倍頻振動和隨機頻率振動。轉(zhuǎn)子的不對中、動靜部件的摩擦、聯(lián)軸器的應力過大、基礎(chǔ)不良等都可能引起倍頻振動。隨機頻率振動的肇因則復雜得多,來自外部的氣流脈動、喘振等和轉(zhuǎn)子自身的自激振動都可能導致機組隨機振動。
案例3:煉油廠催化裂化裝置軸流-離心復合式壓縮機組[12]自投用以來,先后3次發(fā)生首級葉片根部斷裂事故(圖3)。經(jīng)診斷將故障原因歸納為機組長期在小流量下運行、葉片倍頻與氣流激振頻率接近、工作介質(zhì)腐蝕和維護保養(yǎng)不及時等。屬于典型的設(shè)計工況與實際運行工況不匹配,且后期維護保養(yǎng)不到位,為大型風洞軸流壓縮機研制提供了重要借鑒。
圖3 首級葉片3次斷裂口[12]
案例4:AR-70-80型軸流壓縮機[13]檢修重新開機后出現(xiàn)劇烈振動,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),第9級動葉中的兩片從根部過渡弧處斷裂,并造成后續(xù)多片葉片損傷,如圖4(a)和圖4(b)所示。通過宏觀斷口檢驗和金相分析、力學性能測試、掃描電鏡顯微分析以及成分檢測等方法對斷裂葉片進行了分析,如圖4(c)和圖4(d)所示。結(jié)果表明,葉片在服役過程中承受了復雜的交變應力,葉片材料中有呈帶狀分布的夾雜物和材料晶界上產(chǎn)生了磷元素偏聚,這些缺陷使葉片的疲勞壽命顯著降低,造成葉片的早期疲勞斷裂。
圖4 葉片損傷照片[13]
軸流壓縮機葉片損壞事故在國內(nèi)外屢見不鮮。機組運行中動葉主要承受兩種力,一是轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力(包括離心拉應力和離心彎曲應力);二是氣流通過葉片產(chǎn)生的氣動彎曲應力。壓縮機運轉(zhuǎn)時葉片和隔葉塊受離心力的作用會使安裝間隙加大,進而使葉片在運轉(zhuǎn)過程中不可避免地發(fā)生震顫。同時,壓縮機還可能承受高壓高速氣流中微顆粒粉塵擊打作用。上述載荷會在葉片上形成復雜的交變應力,葉片根部的葉型過渡弧處和榫槽處構(gòu)成了發(fā)生失效破壞的敏感區(qū)域。尤其是當工況發(fā)生變化、轉(zhuǎn)子長時間在較大振動的情況下運行時,會產(chǎn)生較大的外加應力,極易誘發(fā)葉片失效事故。
在大型風洞軸流壓縮機實際運行中,葉片還可能面臨異物撞擊導致的嚴重損壞。在設(shè)計建設(shè)階段需考慮設(shè)置一定的防護裝置,而在運行中需嚴格管控洞體內(nèi)物體進出,確保洞體內(nèi)的清楚。當壓縮機遭受異物撞擊時,可借鑒航空發(fā)動機、風機等領(lǐng)域相關(guān)研究成果進行撞擊故障的早期辨識[14~17]、定位[18]和軸系瞬態(tài)響應分析[19],以盡量降低損失,確保風洞的運行安全性。
案例5:AV100型全靜葉可調(diào)軸流壓縮機組[20]運行時軸向位移高達到+0.38 mm,且沒有穩(wěn)定跡象,在對軸系、電機運轉(zhuǎn)磁力線中心的偏離進行檢查和分析后判斷為電機轉(zhuǎn)子受熱膨脹導致軸向推力上升,增大了止推軸承的工作負荷和轉(zhuǎn)子位移量。采取抽取膜片聯(lián)軸器靠電機半軸的墊片數(shù)量、檢查電機磁力中心并適時調(diào)整、校驗后臺機顯示值與實際軸向間隙值的對應關(guān)系等手段,減小了軸向位移,改善了推力軸承的工作狀況。
在這起事故中值得注意的一點是,在拆機檢測時發(fā)現(xiàn)軸向?qū)嶋H間隙約為0.50 mm,后臺機軸位移顯示值僅為0.25 mm,近似關(guān)系為1∶2。也就是說,該機組運行中軸位移顯示為0.38 mm時,實際位移應為0.76 mm,已超出了報警值,接近跳機值,屬于典型的傳感器測量失真,對機組運行安全產(chǎn)生極大的威脅。
案例6:煤化集團軸流壓縮機組[21]試車時主推力瓦的溫度報警,此時機組出口壓力還未達到設(shè)計要求。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該故障是由推力軸承承受的軸向力太大導致的,在對該臺壓縮機平衡管改造后,降低了平衡管低壓側(cè)的壓力,減少了整個轉(zhuǎn)子的軸向力,使機組得以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
影響轉(zhuǎn)子軸向力的因素很多,有結(jié)構(gòu)方面的,也有運行方面的。運行中軸向推力增加的原因主要有兩個方面:一是壓縮機出口超壓,如轉(zhuǎn)速升高或在轉(zhuǎn)速不變的情況下減小流量,可使排氣壓力增加;或級間密封環(huán)損壞,氣體從高壓段竄向低壓段,引起低壓段排氣壓力增加,都會導致軸向推力增加。二是輪蓋密封損壞,如密封片磨損或者密封齒間被異物堵塞,密封效果變差,會增加泄漏量,使得轉(zhuǎn)子的軸向推力加大。
軸向力失衡將影響軸承壽命,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,損壞機組。因而在壓縮機運行中,需監(jiān)視軸瓦溫度、軸承潤滑油溫度,設(shè)置軸向位移指示器,確保壓縮機的安全運轉(zhuǎn)。同時,在檢修時應密切注意密封片等易損件的磨損情況,及時更換。
案例7:西北工業(yè)大學NF-6風洞AV90-2軸流壓縮機試車期間發(fā)現(xiàn)壓縮機兩端洞體和轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)大量油液,經(jīng)檢查分析發(fā)現(xiàn)是潤滑油經(jīng)轉(zhuǎn)子兩端迷宮密封泄漏[22-24]。其故障原因歸納為3個方面:一是回油孔孔徑設(shè)計過小;二是加工安裝問題導致軸承座上回油管道與缸體不同心;三是所選用迷宮密封效果欠佳。最終通過加大回油孔和回油管路,改善加工質(zhì)量,在壓縮機進、排氣端軸端密封套上增加密封環(huán),以及在壓縮機兩端回油腔體上增加放空管路等改進措施使軸流壓縮機運轉(zhuǎn)正常,潤滑油回油通暢,壓縮機軸承座無潤滑油泄漏。
案例8:應用于硝酸四合一機組的AV40型軸流壓縮機[25]多次因故障造成停機。通過分析軸流壓縮機突變時刻的頻譜、軸心軌跡等特征,如圖5所示,結(jié)合故障發(fā)生的時刻及徑向軸承特性分析,確定油膜振蕩引起油膜瞬間失穩(wěn)是故障的主要原因。在總結(jié)油膜振蕩故障現(xiàn)場消除方法的基礎(chǔ)上,更換排氣側(cè)存在輕微磨損的徑向軸承來減小軸承頂隙,最終故障得到完全消除。
圖5 突變前后軸心軌跡圖[25]
軸流壓縮機軸承是經(jīng)常出現(xiàn)故障的部件之一,在檢修、安裝和運行中要特別重視軸承的檢查,軸承常見的故障有軸瓦拉毛、磨損和刮傷,軸承咬合以致巴氏合金融化和軸瓦的疲勞破裂等。軸承典型損傷如圖6所示。造成軸承故障的主要原因有兩個方面:一是潤滑油供油不足、潤滑油清潔度不達標、油溫過高等都會導致軸承損傷,引發(fā)機組故障。二是軸承和機組的制造安裝問題導致運行載荷變大,進而引發(fā)軸承過載。
圖6 軸流排氣側(cè)的軸承下瓦
綜合國內(nèi)外風洞參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果,試驗段口徑達到4.5~5 m量級的大型連續(xù)式跨聲速風洞壓縮機組軸功率將達到240 MW[5],采用雙側(cè)電機同步驅(qū)動時軸系全長會達到90 m量級,具備投資規(guī)模大、結(jié)構(gòu)尺寸空前、運行工況范圍寬、性能要求嚴苛和穩(wěn)定性要求高等特點。作為風洞的核心設(shè)備,軸流壓縮機是一個復雜的機械系統(tǒng),其運行穩(wěn)定性、故障的快速診斷和有效處置對實現(xiàn)提高風洞試驗效率具有重要意義,甚至關(guān)系到風洞建設(shè)的成敗。根據(jù)軸流壓縮機常見故障類型和風洞運行特點,在大型連續(xù)式跨聲速風洞軸流壓縮機研制中應著重關(guān)注以下3個方面:一是大型壓縮機加工制造;二是超長軸系設(shè)計和穩(wěn)定分析;三是機組運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警。
加工制造問題是導致壓縮機故障的重要因素,文獻分析結(jié)果顯示有17.3%的軸流壓縮機故障是由工藝制造問題導致的。由加工制造導致的故障可能表現(xiàn)為案例3、4所示的葉片斷裂,也可能導致案例7所示的軸承故障,但更多的時候表現(xiàn)為機組的振動異常。
大型連續(xù)式跨聲速風洞軸流壓縮機靜子部件加工具備明顯的強尺寸/型面約合、加工可達性差等特點;轉(zhuǎn)子部件尺寸巨大,只能在現(xiàn)場開展動平衡試驗,對零部件的加工精度提出了更高的要求。為確保壓縮機加工制造質(zhì)量,需充分借鑒航空航天、高鐵列車、船舶和風電等領(lǐng)域大型型面部件加工經(jīng)驗,融合傳感、信息、人工智能、大數(shù)據(jù)和控制等先進技術(shù),開展大型風洞軸流壓縮機智能制造理論、方法和工藝研究。
動葉片是軸流壓縮機做工的主要部件,為降低結(jié)構(gòu)重量,大型風洞軸流壓縮機通常采用碳纖維復合材料葉片。大型碳纖維葉片的制備工藝、力學性能分析、裂紋和損傷敏感特性都是需要關(guān)注的重點。
大型風洞軸流壓縮機組軸系具有跨度大、轉(zhuǎn)動部件多、功率高和多物理場耦合等特點,軸系傳動過程中的彈性變形更為明顯,極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。需要在設(shè)計階段開展詳細的軸系穩(wěn)定分析,通過軸系設(shè)計優(yōu)化,避免扭振發(fā)生。大型風洞軸流壓縮機組軸系布局如圖7所示。
圖7 大型連續(xù)式跨聲速風洞軸流壓縮機軸系簡圖
軸系穩(wěn)定性的影響因素包括壓縮機機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩大類。常規(guī)軸系穩(wěn)定性分析通常僅從針對壓縮機轉(zhuǎn)子、電機轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器、齒輪箱、軸承等機械部分,根據(jù)不同工況考慮部分或所有因素。相關(guān)實驗表明軸系扭振時電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)矩及母線電壓中均會出現(xiàn)軸系扭振頻率分量,電機電流則出現(xiàn)了基頻頻率±軸系扭振頻率間諧波電流分量;從變頻器側(cè)看,軸系扭振主要是變頻器輸出電流發(fā)生了波動,含有與機械頻率一致的間諧波。說明電機-變頻器等電氣系統(tǒng)也對機組的軸系穩(wěn)定性具有重要影響。
軸系阻尼系數(shù)是影響軸系穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵參數(shù),其值越小則軸系越容易產(chǎn)生扭振。實際系統(tǒng)中通常難以準確測定阻尼系數(shù),只能采用保守估計。在高壓變頻器驅(qū)動電機系統(tǒng)中,也存在一些電氣阻尼參數(shù),與軸系阻尼系數(shù)起著相同的作用。因此,針對大型風洞軸流壓縮機需要綜合考慮電器系統(tǒng)(電機-變頻器)對軸系的諧波激勵、阻尼系數(shù)產(chǎn)生的影響,開展機械電氣耦合的超長軸系扭振的系統(tǒng)級機理、系統(tǒng)仿真及其驗證,提高軸系運行穩(wěn)定性。
以CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風洞壓縮機為研究對象,在MATLAB/Simulink建立圖8所示高壓變頻器供電下雙電機同軸驅(qū)動模型,仿真過程設(shè)置0~20 s電機轉(zhuǎn)速從0 r/min升速至2 000 r/min,在20~30 s電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000 r/min,分別基于力矩環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的功率平衡控制策略對機組扭轉(zhuǎn)振動特性進行仿真分析,并進行算法實驗驗證。仿真結(jié)果顯示,兩種功率平衡控制策略下,針對軸系前兩階扭轉(zhuǎn),基于轉(zhuǎn)矩的功率平衡控制有更好的動態(tài)負載平衡效果,而基于雙轉(zhuǎn)速閉環(huán)的功率平衡控制具有更好的抑制效果。實驗數(shù)據(jù)顯示,通過對變頻器改造使機組前兩階扭轉(zhuǎn)振幅下降43.37%和20.46%,實現(xiàn)了對扭振的有效抑制[26]。
圖8 高壓變頻器供電下雙電機同軸驅(qū)動模型
在工業(yè)軸流壓縮機領(lǐng)域,機組的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預警一直是研究的熱點問題,尤其是在國家重大戰(zhàn)略工程中,系統(tǒng)的健康管理、故障診斷得到了極大的關(guān)注[27-30]。為提升大型風洞軸流壓縮機組運行安全性、運行維護便利性,需布置多種類型測點監(jiān)測采集機組運行數(shù)據(jù),并建立機組健康管理系統(tǒng),結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘、機器學習和虛擬現(xiàn)實等手段建立風洞軸流壓縮機健康管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)對狀態(tài)實時監(jiān)測、智能故障診斷與預測、自主運維支撐和集成化設(shè)備管理。
針對大型風洞軸流壓縮機組需開展轉(zhuǎn)動軸系、機組振動速度和結(jié)構(gòu)應變與疲勞3類狀態(tài)監(jiān)測。其中轉(zhuǎn)動軸系監(jiān)測內(nèi)容包含軸系橫向和扭轉(zhuǎn)振動、軸向脹差、葉頂間隙、葉片振動等;機組振動主要監(jiān)測位置包含軸承座、機組殼體和安裝基礎(chǔ);應變與疲勞監(jiān)測主要采用光纖光柵等分布式傳感手段,監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形、應力應變。軸系部分測點如圖9所示。
圖9 大型連續(xù)式跨聲速風洞壓縮機部分監(jiān)測點位布局圖
所有傳感器數(shù)據(jù)是判斷壓縮機乃至整個風洞運行狀態(tài)的依據(jù),在正式運行前必須仔細校核傳感器安裝和工作狀態(tài),避免出現(xiàn)案例5類似的測量失真問題。位于壓縮機流道內(nèi)的傳感器必須確保不與壓縮機運動部件發(fā)生干涉,國內(nèi)某風洞壓縮機在調(diào)試過程中就曾發(fā)生因傳感器干涉導致整級葉片損壞的事故。
基于上述傳感設(shè)備的在線數(shù)據(jù)監(jiān)測和離線數(shù)據(jù)分析,克服噪聲影響[31],建立傳感數(shù)據(jù)與故障模式的映射關(guān)系,設(shè)立節(jié)點權(quán)重和閾值,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法進行自主訓練,基于模型實現(xiàn)故障準確定位、診斷,甚至是預測[32-33],利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助機組運行維護、故障處置方案的制訂和實施。
通過系統(tǒng)梳理工業(yè)軸流壓縮機故障案例,將壓縮機常見故障按照壓縮機振動、葉片斷裂、軸向力失衡和軸承故障和其他故障等歸類分析。通過典型案例表現(xiàn)特征和處置方案的細致梳理對各類故障原因進行了初步分析。結(jié)合大型風洞軸流壓縮機工作特點,從加工制造、超長軸系設(shè)計和穩(wěn)定性分析、機組運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警等角度提取了大型風洞壓縮機研制中的重難點問題;以CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風洞壓縮機軸系穩(wěn)定性分析和基于電機、變頻系統(tǒng)的軸系扭振抑制方法研究為基礎(chǔ),提出了大型風洞軸流壓縮機軸系監(jiān)測點位布局圖,為大型風洞軸流壓縮機研制奠定了基礎(chǔ)。