某二氧化碳離心壓縮機轉(zhuǎn)子次同步振動分析

太興宇 李 云 孟繼綱 孫玉瑩 肖忠會 馬志宏

（沈陽鼓風機集團股份有限公司）

0 引言

離心壓縮機作為旋轉(zhuǎn)機械的一種，其主要功能主要是由旋轉(zhuǎn)部件來完成的，轉(zhuǎn)子是其最主要的部件。對于離心壓縮機來說，當設(shè)備處于小流量區(qū)，或者各級間氣體流量匹配不合理而導(dǎo)致某一級葉輪處于小流量區(qū)時，就容易引發(fā)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生頻率較低的次同步振動，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動水平超標。而對于這類振動，雖然從振動特征上可以確定故障類型，但是，如何明確導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)氣動載荷的原因，是一件很困難的事。

本文針對一臺二氧化碳離心壓縮機，記錄了其在試車過程中的振動現(xiàn)象，通過對該機組振動故障的分析和排查，鎖定故障源，并實施了有效的處理措施，為今后該類故障的排查和治理提供了相關(guān)經(jīng)驗。

1 機組概況

該二氧化碳離心壓縮機試車現(xiàn)場安裝圖如圖1 所示。壓縮機共分3段，7級葉輪，其中，1，2段分別在非驅(qū)動端和驅(qū)動端，3段在中間；采用無葉擴壓器；出口設(shè)計壓力為43bar。轉(zhuǎn)子總長2036mm，跨距1620mm，額定轉(zhuǎn)速11659r/min，電機驅(qū)動，如圖2所示。該壓縮機的1階臨界轉(zhuǎn)速為4337r/min。

圖1 機組試車現(xiàn)場Fig.1 The site of the compressor test

2 機組振動情況

該機組在試車開始的時候曾出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子密封失穩(wěn)現(xiàn)象。后通過增加反旋流裝置，即在各葉輪口圈密封進口處增加阻旋柵，在平衡盤密封處增加反吹孔，再試車時已消除了轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。

在解決轉(zhuǎn)子密封動力失穩(wěn)的問題后，又進行了多次試驗，如表1 所示，但是轉(zhuǎn)子振動超標的情況始終沒有改善，如圖3所示。

表1 試驗措施Tab.1 Experimental program adjustment

圖3 為壓縮機不同出口壓力下的轉(zhuǎn)子驅(qū)動端振幅?？梢钥吹?，多次試驗都表明，轉(zhuǎn)子的振動增長與出口壓力呈正相關(guān)的關(guān)系。其中水平方向為x向，垂直方向為y向。

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

隨出口壓力變化的轉(zhuǎn)子振動圖譜如圖4 所示。從圖中可以看到，在大流量（低出口壓力）時，轉(zhuǎn)子就出現(xiàn)了次同步振動，頻率特征為0.35倍頻，隨著出口壓力的增加，次同步振動增加，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時的轉(zhuǎn)子振動時域波形和頻譜圖。

圖6 為轉(zhuǎn)子不同頻率成分幅值隨出口壓力的變化趨勢。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次諧波振動一開始便存在，并隨著出口壓力增加而增加；18.9Hz次諧波振動在出口壓力為20bar時出現(xiàn)，也是隨著出口壓力增加而增加。

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

圖5 轉(zhuǎn)子振動響應(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)

除了檢測轉(zhuǎn)子振動，對管路振動也進行了測試，測試結(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段出口的管路振動隨出口壓力變化明顯，并且，2段出口和3段出口在40bar時的振動速度明顯高于1段進出口和2，3 段進口。而出口壓力為10bar 時，只有2段出口管路的振動速度較大。

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

圖7 管路振動測試結(jié)果Fig.7 Test results of pipeline vibration

3 原因分析

基于上述該二氧化碳壓縮機多次試車的振動數(shù)據(jù)，可以總結(jié)出以下特征：

頻率特征為0.1～0.35 倍頻；振動隨負載變化；振動波動大；正進動；存在組合頻率；在大流量和設(shè)計流量時存在低頻振動現(xiàn)象；設(shè)計流量下，2，3 段出口管路振動明顯。

結(jié)合轉(zhuǎn)子常見的次同步振動故障特征，進行初步的故障排查，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，動力失穩(wěn)為前期振動特征，在添加反旋流措施后已經(jīng)消除，那么與振動特征關(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)失速和擴壓器旋轉(zhuǎn)失速。一般來說，葉輪失速通常出現(xiàn)在小流量區(qū)，即接近喘振線附近。而擴壓器失速通常主要與葉輪出口的流速以及擴壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)。從頻率特征上看，無葉擴壓器的失速頻率為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。從該壓縮機的振動頻率特征以及性能達標的情況分析，基本確定導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生次同步振動的原因是無葉擴壓器旋轉(zhuǎn)失速。

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

通過振幅比，可以初步判斷出激振源的位置。因為實際機組兩側(cè)支承軸承的剛度不會相差很大，旋轉(zhuǎn)失速導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子振動屬于強迫振動，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的可能。圖10為轉(zhuǎn)子振動頻率為0.2倍頻時，驅(qū)動端和非驅(qū)動測點位置的振幅比。從圖中可以看到，激勵源基本可以鎖定在驅(qū)動端葉輪。再結(jié)合管路振動結(jié)果，可以確定8#和6#葉輪出口擴壓器存在旋轉(zhuǎn)失速團。

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

圖11為通過擴壓器的進口氣流角來判斷擴壓器中是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。其中，b2和R2分別為擴壓器入口寬度和半徑。從圖中可以看到，從自身擴壓器結(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。擴壓器中的旋轉(zhuǎn)失速并不一定是由擴壓器本身產(chǎn)生的[8]，那么就有可能是上一級發(fā)生了旋轉(zhuǎn)失速，進而導(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)計的不合理，導(dǎo)致流場較差，壓力脈動傳遞到擴壓器進口，進而影響轉(zhuǎn)子的運行情況。

圖11 擴壓器入射角評估Fig.11 Evaluation of diffuser inflow angle

5#葉輪在模型級實驗中，馬赫數(shù)為0.95時壓力脈動出現(xiàn)了0.1倍頻左右的頻率成分[9]，并且，除了在100%設(shè)計流量下，其他各流量點均存在低頻脈動成分。而通過該機組5#葉輪工作點與其模型級試驗測得的性能曲線相對照發(fā)現(xiàn)，5#葉輪實際已經(jīng)處于失速區(qū)了（90%設(shè)計流量），如圖12 所示。而從文獻[9]可知，5#葉輪的回流器對其失速狀態(tài)影響較大。這種下游結(jié)構(gòu)對上游的影響，文獻[10]也做了較為詳細的研究。

4 故障處理

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

實際上，因為各級匹配的原因，流道里的低速渦是不可避免的，而這些渦并不是都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生次同步振動。這取決于這些低速渦的強弱、個數(shù)以及分布。一般來說，高壓力、重介質(zhì)機組的激振力更大，而小轉(zhuǎn)子則是更容易被激振。這也是該機組先天參數(shù)所決定的。

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

5 結(jié)論

本文以某二氧化碳離心壓縮機為例，對該機組在廠內(nèi)試車時產(chǎn)生的振動問題進行了分析。通過分析得到以下結(jié)論：

1）該機組在大流量和設(shè)計流量的時候轉(zhuǎn)子就開始發(fā)生次同步振動，振動頻率特征為0.1～0.3倍頻，性能指標正常，因此判斷引起轉(zhuǎn)子次同步振動的原因為葉輪擴壓器失速；

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

3）從5#葉輪模型級試驗結(jié)果可知，該葉輪由于回流器的影響，存在低頻壓力脈動。并且，壓縮機的設(shè)計點實際上處于該葉輪的小流量區(qū)。

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