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透平压缩机转子系统常见振动故障分析及处理

白晖宇*朱 瑞 孟光/ 上海交通大学    

摘要:透平压缩机在高速高压高功率密度工况下,易产生强大的激振力,致使转子在工作中失去稳定。针对透平压缩机转子系统常见的转子不平衡、对中不良、轴承故障、密封故障和轴向窜动等振动故障的原因进行分析,提出改进措施,以保证压缩机组安全稳定运行。
关键词:透平压缩机;振动;转子不平衡;对中不良
中图分类号:TH452 文献标志码:B
Analysis and Treatment of Common Vibration Faults in Rotor System of Turbine Compressor
Abstract: Strong excited force caused in the high speed, pressure and power density conditions in the turbine compressor leads to rotor system to run unstably. In this paper, the reasons of unbalanced rotor, misaligned couplings, bearing fault, seal fault and axial drifting are analyzed and improvement measures are put forward to ensure that the turbine compressor operates safely and steadily.
Key words: turbine compressor; vibration; unbalanced rotor; misaligned coupling
0 引言
  在实际生产中,透平压缩机处于高速运转中,最常见也是最易发生故障的系统是转子-轴承系统。常见的故障有不平衡振动、对中不良、轴承故障、密封故障和叶轮轴向窜动等系统振动。这些故障常引起运转不平稳,甚至导致装置停机的事故发生[1-2] ;因此,对透平压缩机转子系统振动故障原因做深入分析,并采取有效的防护措施,保证其长周期、稳定、安全运行是十分必要的。
1 转子不平衡
1.1 不平衡的产生

  透平压缩机转子不平衡是机组振动的最突出的影响因素。随着机组的使用,转子不可避免地会出现被冲刷、腐蚀、磨损、零件松动等现象,原来的平衡就被破坏了,从而产生静不平衡和动不平衡力偶,也就形成了不平衡振动,以致于造成零件损坏,机组无法运行[3-4]
  引起转子不平衡振动的原因主要有:
  1) 转子平衡精度差; 2) 齿轮联轴器加工或安装不当;3) 运输或安装中转子被碰撞; 4) 因停放时间过长而又保养得不好,转子发生弯曲变形; 5) 热胀冷缩不均匀而使转子弯曲。以上原因引起的振动在试运之初便会产生;6) 叶轮积灰、腐蚀、冲刷磨损、铆钉松动和脱落、叶轮局部破碎等造成的。表现为振动值随着运行时间的延长而逐渐增大;7) 因某些部件过盈太小,在转子高速旋转中引起螺钉松动或脱落。表现为振动值突然升高。
1.2 振动特征
  转子不平衡振动的特征为:
  1) 振动的时域波形近似为正弦波;2) 频谱图中,谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波,使整个频谱呈所谓的“枞树形”;3) 当工作转速一定时,相位稳定;4) 转子的轴心轨迹为椭圆;5) 从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。
1.3 改进措施
  1) 首先对转子的每一个零件进行良好的静平衡试验。组成转子后,同样先进行静平衡试验,然后进行动平衡试验,精确校正转子的动平衡,最大限度地降低不平衡量,降低转子在高速旋转时所产生的离心力,扩大转子稳定裕度,增加转子结构本身的稳定性。另外,运输过程中要确保不碰撞转子;2) 强化净化效果,严格纯化器的工艺操作规程。
2 对中不良
2.1 故障机理

  透平压缩机组各转子之间用联轴器联接传递运动和转矩,由于机组的安装误差、工作状态下热膨胀、承载后的变形以及机组基础的不均匀沉降等,有可能会造成机组工作时各转子轴线之间产生不对中[5-6]
  常见的引起对中不良的原因有:
  1) 不合理的找正顺序。以变速机为准,两边找正压缩机和电动机。由于压缩机正常运行和启停机时的热胀冷缩效应,变速机和压缩机的位置偏移增大,不对中情况加剧,因而造成振动值增高;2) 设备检修找正安装后启动,由于机组启动电流大,瞬间扭力也很大,造成电动机有微量位移,机器在对中后走调的情况下运行,振动就会很大;3) 联轴器安装有误、联轴器制造不平衡、联轴器端面偏差过大、弹性联轴器制造精度不够、销钉不等重等原因也会造成联轴器故障。
2.2 振动特征
  对中不良引起的振动主要特征为:
  1) 故障的特征频率为角频率的2倍;2) 由不对中故障产生的对转子的激励力随转速的升高而加大;因此,高速旋转机械应更加注重转子的对中要求;3) 激励力与不对中量成正比,随不对中量的增加,激励力呈线性增大;4) 联轴器同一侧相互垂直的两个方向,2倍频的相位差是基频的2倍;联轴器两侧同一方向的相位在平行位移不对中时为0°,在角位移不对中时为180°,综合位移不对中时为0°~180°;5) 轴系转子在不对中情况下,中间齿套的轴心线相对于联轴器的轴心线产生相对运动,在平行位移不对中时的回转轮廓为一圆柱体,角位移不对中时为一双锥体,综合位移不对中时是介于二者之间的形状。回转体的回转范围由不对中量决定;6) 轴系具有过大的不对中量时,会由于联轴器不符合其运动条件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和附加轴向力,使转子产生异常振动,轴承过早损坏,对转子系统具有较大的破坏性。
2.3 改进措施
  1) 以压缩机为准找正,并且每次先把压缩机地脚螺栓松开,使其在冷态时自由平衡,再紧固地脚螺栓,使压缩机固定,然后依次找变速机和电动机;2) 在检验中,严格按照规程标准,对联轴器进行认真找正,使找正数据在要求范围内。并对检验中拆开的齿式联轴器和轴承瓦面进行认真检查,使之达到零件使用标准,保证对中找正数据准确。
3 轴承故障
  轴承是引起振动的关键所在,若选择不当,会造成整机振动激烈[7]

3.1 油膜涡动
  油膜涡动是径向滑动轴承在流体动力润滑条件下,轴颈位置发生振荡的一种形式。是由于转子制造精度差或动平衡不好以及轴承8个动力特性参数选择配合不当,使轴颈受外界扰动力的作用而失去平衡,轴颈发生偏移,在外载荷与油膜力矢量差的作用下,轴颈沿偏移的中心位置转动,在继续运转中就会出现油膜半速涡动。它对转子和轴的寿命的影响程度超过工频振动的影响,它使转子振动总量增大。
  处理办法:
  1) 不刮削或少刮削轴瓦,也就是说从整体提高加工精度,使椭圆轴承在机床上加工成型,从而保证了透平机轴承的特性要求,也是消除油膜半波涡动的最好办法;2) 轴瓦的间隙应在满足轴颈冷却油量的要求下尽量小一点,才能使油膜稳定。轴瓦的间隙过大,润滑油容易从轴瓦间隙中流出,轴瓦内的油膜就难以稳定,转子在运转过程中,由于瓦背对轴颈的回击力,容易使转子发生振动。
3.2 油膜振荡
  滑动轴承中的轴颈在做高速偏心旋转时,流体对轴颈产生了非对称动压力(油楔力),其切向分力推动轴颈做向前涡动运动,在增大的离心力作用下涡动半径增大,最小间隙侧的间隙愈小,压力差愈大,形成的切向力也愈大,如果超过了系统的阻尼力,则转子就失去了稳定。对于转速超过二倍一阶临界转速的挠性转子,系统如果没有足够的阻尼,就会发生油膜振荡。
  油膜振荡的特征:油膜振荡与轴承结构形式、油粘度、温度、转子载荷与转速等因素有关。由于轴承壁面摩擦油的粘性以及油向轴承两侧泄漏的原因使油膜振荡频率小于转速频率之半,为工作转速的41%~49%,与转子系统一阶自振频率相吻合,因此须避免机器工作转速在一阶自振频率的两倍附近。
  实践证明:偏心率大的轴承不易出现油膜振荡,就是由于承载油膜的刚度与阻尼较大之故。因此,为了提高油膜轴承运转的稳定性,办法是设法增大轴承的偏心率。具体方法是:在轴承中部开一条周向沟槽(这样可增大比压和偏心);改变轴承间隙,适当加深油楔深度;抬高油膜振荡轴承的标高,以提高比压;适当提高油温,降低油的粘度,从而增加偏心距,有利于提高失稳转速等。
3.3 润滑油的质量
  润滑油的质量对保证轴承的良好润滑起着重要的作用。润滑油的油量、油温及油的粘度都将直接影响润滑油膜的稳定性,从而影响到机组的振动。为了保证轴颈的冷却,在轴颈和轴瓦间必须有一定量的流动的润滑油,才能形成油膜,故油量是油膜形成和稳定的必须条件。润滑油量是由节流孔开度控制的,故节流孔开度大小应适当。油的粘度是影响油膜稳定性的又一因素,油的粘度大,油膜的厚度将增加。对于转速高轴颈负荷小的压缩机,应采用粘度较小的透平油。油温对油的粘度有直接影响,当油温升高时,粘度将减小,要保持稳定油膜的油温,应使进入轴瓦的油温保持在32~37℃范围内。
4 密封故障
  透平压缩机是高速旋转的机械密封装置,由于密封压差及转速高,在转子气封及隔板的小间隙处容易产生较大的激振力[8]
  1) 由于隔板不同心,且转子因初始扰动而处于涡动状态,那么转子与隔板之间密封间隙就会发生周期性变化,密封腔中会形成滞后于转子位移的作用在转子上的两个变化压力的叠加值,其中一个始终作用在转子的涡动方向上的分力就是加剧转子涡动的激振力。这就导致了转子运行失稳,发生异常振动。
  处理办法:对隔板同心度进行调整。更换隔板下部调整螺钉,用拉钢丝调上蜗壳隔板,假轴调整下蜗壳隔板。调整以后,用电焊把螺钉点焊,防止螺钉松脱,使找正尺寸不再变化,从而降低和防止转子产生涡动和自激力,以消除振动。
  2) 在高速旋转机械的迷宫密封中,由于轴的偏心以及气流在密封进口处的预旋速度使密封中的气流呈螺旋状流动,这样就会在密封腔内形成一个不均匀的压力分布。压力分布作用在转子上的合力具有一个与位移相垂直的切向分力,引起了转子的不稳定振动,密封间隙愈小,气流在密封进口处的预旋速度愈大,则气流产生的切向力也愈大。
  迷宫密封气流激振的特征:迷宫密封腔内的气流旋绕在周向上产生不均匀压力分布,此分布压力与转速及负荷有关,转速愈高,进气预旋速度愈大,激振力也愈大,振动频率一般为转子的一阶自振频率。
  处理办法:在高速透平机械中安装防止气流预旋的装置,用以减弱由于不均匀压力分布所引起的切向力。
5 轴向窜动
  由于叶轮的轮盘和轮盖两侧所受的气体作用力不同,相互抵消后,还会剩下一部分轴向力作用于转子,所有叶轮轴向力的代数和就是整个转子的气体轴向推力,作用方向一般是从高压端指向低压端。转子的轴向推力经平衡后,剩下的轴向推力由推力轴承来承担,如果推力过大,会影响轴承寿命,严重的会使轴瓦烧坏,引起转子窜动,使转子上的零件与固定元件碰撞,以致机器破坏;因此,在运行中必须严密注视轴向推力的变化,确保机器的安全运转[9]
  影响转子轴向推力的因素很多,有结构方面的,也有运行方面的。
  1) 压缩机出口超压。造成超压的原因很多,如转速升高或在转速不变的情况下减量生产,可能使排气压力增加,致使轴向推力增加;2) 轮盖密封和定距套密封损坏。叶轮内泄漏量对轴向推力有很大影响,如果密封片磨损,使间隙增加或者密封齿间被脏物堵塞,密封效果变差,都会增加泄漏量,从而使转子的轴向推力加大。密封装置严重损坏,轴向推力增加很多,可能造成止推轴承烧坏的事故;3) 平衡盘密封装置损坏,或者平衡管堵塞,都会使平衡盘的轴向力减小,从而增加转子的轴向推力;4) 氧化器止逆阀开启不畅或者氧化器气体分布花板孔眼被堵;5) 吸收塔排酸不及时;6) 润滑油的供给压力将是形成油膜并承载轴向力的关键。如果油品的质量差,譬如,机械杂质含量高,油品中夹带的固体颗粒状的杂质就会磨损“止推块”上的巴氏合金,使得轴位移数值往正方向移动增大;若是油品的酸值增高,也会使“止推块”上的巴氏合金被腐蚀掉,使得轴位移数值正向移动;若是运动粘度过高或者过低,都会影响供油压力,直接与油膜的形成以及承载能力有关(油压力低使得承载能力下降,也会造成轴位移数值增加);若是油品的抗乳化度时间过长,使得润滑油乳化,供油压力显然也会大受影响,供油不足,使油膜承载能力下降,这种情况也会使轴位移正向移动。
  处理办法:监视轴瓦温度、轴承润滑油温度变化;设置轴向位移指示器,利用应变片做感测元件直接测量轴向推力值。轴位移指示器的种类很多,有机械式、液压式和电磁式。
6 其它原因引起的振动
  1) 转子与静子碰磨。特征:引起低次谐波的分数频率振动,振动频率为:

   如对各转速下的轴心轨迹观察,可发现各次谐波成分在垂直和水平方向上相位差180°。另外,在摩擦增大时,会发生波形截断(削波),在频域上可出现和差频率。
  2) 转轴材料内摩擦。特征:与转速及一阶临界转速的高低有关,转子柔性愈好,愈易引起内摩擦激振。对于轴上配合件发生的滑动摩擦激励,与轴上零件的配合面大小及配合过盈量有关,配合面愈大,配合愈松,在工作转速下愈易引起自激振动,振动频率为转子一阶自振频率。
  3) 压力脉动及声学共振。特征:离心压缩机扩压器、蜗壳及排气管道设计不当时,叶轮排出的气体会在这些元件中引起声学共振,就像一个声学共振放大器。在某种情况下,气体压力脉动波反射到转子叶轮上,激起转子在一阶自振频率上的自激振动。
7 结论
  透平压缩机在长期的生产运行过程中,由于操作维护不当、金属损耗、超运转周期、超负荷运行等原因,总会发生一些故障。一般情况下,设备运行参数变化都是一个渐变的过程,只要平时加强巡查,精心维护,及时发现并处理隐患,就能够避免产生大的设备事故。但由于部件材质、制造等缺陷引发的突发故障不可控制,只有通过选择质量好的材料和严把质量关来尽量避免故障发生。

                 参 考 文 献

[1] 吴朝福. 空气压缩机的喘振原因分析及措施[J]. 风机技术,2009(3):74-76.
[2] 李怀庆,张娜,张胜利,等. 透平压缩机多机组喘振现象分析[J]. 风机技术,2010(6):73-76.
[3] 王晓明. D480透平压缩机振动原因分析及消除[J].中氮肥,1997(3):52-54.
[4] 张立发,翟所斌. 大型空分装置离心式压缩机振动故障分析及处理[J]. 风机技术,2008(3):73-75.
[5] 杨增军. 四级透平压缩机故障处理[J]. 矿山机械,2006,3(4):146-147.
[6] 王灿. 透平压缩机转子振动原因分析及处理这[J]. 现代机械,2009(4):79-81.
[7] 李国农. 透平压缩机振动因素与诊断方法的探讨[J]. 水利电力机械,2000(3):29-32.
[8] 王玉明,马将发,陆文高. 高速透平压缩机的轴端密封[J]. 化工设备与防腐蚀,2002,5(3):228-232.
[9] 王克阁. K480透平压缩机轴位移增大原因分析[J]. 化工设备与防腐蚀,2002,5(5):351-353.

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