离心压缩机转子稳定性及轴位移故障防治关键技术研究

发布时间：2020-07-18 14:45

【摘要】：离心压缩机作为金属冶炼、压力供给、气体输送及分离等工业部门的核心设备,其转子稳定性和轴位移故障关乎整套机组的可靠运行和企业生产的经济效益。滑动轴承烧瓦或磨损是离心压缩机转子失稳及轴位移故障的直接体现之一,而高端滑动轴承大多面临重载、高速、极端温度等苛刻工况,摩擦副表面接触、摩擦、磨损和润滑状态复杂。同时,以高效率和结构紧凑为优势的整体齿轮式压缩机的动力学问题日益凸显,已制约着国产齿式离心压缩机的发展与进步,所以解决高速重载轴承的设计问题和解决轴承-转子-齿轮耦合复杂系统的动力学问题迫在眉睫。针对离心压缩机转子稳定性及轴位移故障防治问题开展研究具有很强的工程背景,本文主要围绕着径向振动与轴向振动所涉及的滑动轴承性能和转子动力学行为进行研究,通过结合理论分析和试验测试手段,揭示滑动轴承的静动特性等关键参数对机组运行和转子振动的影响规律,并诊治了相关的转子失稳及轴位移故障,为防治转子失稳和轴位移故障提供理论依据和试验验证。具体研究内容如下:1、为提高重载推力轴承性能的预测精度,建立了考虑润滑油粘温效应、湍流模型和离心惯性项的轴承热弹流耦合动力润滑性能计算的理论模型,并编写了推力滑动轴承仿真分析程序,获得在多物理场耦合作用下推力轴承的油膜厚度、压力、温度及轴瓦温度和变形等,发现轴瓦的弹性变形不仅影响轴瓦温度的预测,也关系着雷诺数的计算,若不考虑弹性变形,雷诺数偏小,不能及时预测到过渡流或湍流的发生。2、针对离心压缩机的轴位移故障防治问题,提出了利用液压激励系统结合辅助变量滤波算法辨识推力轴承静动特性参数的方法,设计了利用电动油泵系统中的电磁比例溢流阀向推力轴承施加静态和动态轴向载荷的试验装置,最大静态载荷为20000N,测试了转速和轴向载荷对轴瓦温度的影响,并研究了轴向激励大小和激励频率对轴向和径向振动的影响,不仅揭示了转子轴向振动与径向振动之间的耦合关系,还揭示了喘振造成轴位移振动故障的机理。结果表明,随着静态轴向载荷的增加,轴瓦温度、轴向刚度和阻尼系数也随之增加。激励幅值的增大会降低轴向刚度和阻尼系数,从而影响推力轴承的承载能力。同时,发明了一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置,能够智能调控轴位移,增加推力轴承的承载能力,降低轴瓦温度。3、为在设计阶段对高速重载轴承性能进行测试,开发了基于电磁执行器加载的径向滑动轴承性能试验方法,首次利用电磁执行器模拟齿轮耦合-轴承复杂系统中齿轮啮合造成的径向轴承负荷变化,设计的径向滑动轴承性能试验台的最高转速达12000r/min,利用电磁执行器加载的总轴承载荷为20000N,通过施加不同轴承载荷大小和方向,对不同轴承间隙的滑动轴承性能进行测试,主要研究高速重载情况下轴瓦温度和功率损耗随转速和载荷的变化情况。研究表明,除了转速和负载大小外,轴承载荷角度对轴瓦温度也有明显的影响。与转速对功率损耗的影响相比,轴承负载对功率损耗的影响相对较小。4、针对整体齿轮式离心压缩机的转子稳定性问题,在不同的载荷大小和载荷角度下,分析了径向滑动轴承刚度和阻尼系数的变化情况,并在此基础上建立了轴承-转子-齿轮耦合的四平行轴系有限元模型,研究不同载荷下齿轮转子耦合复杂系统的动力学行为和不平衡响应规律,以及不同轴承结构、载荷和交叉耦合刚度等因素对转子稳定性的影响。分析指出,在整体齿轮式压缩机运行过程中,要求轴承具有宽阔的稳定操作范围,保证在不同转速和不同轴承载荷下,转子系统不会发生失稳。在相同的交叉耦合刚度影响下,齿式压缩机的高速轴比低速轴和中速轴更容易也更快地发生失稳。总之,研究离心压缩机转子稳定性及轴位移故障防治关键技术,有助于齿轮轴系-轴承耦合复杂系统的动力学行为分析,特别是滑动轴承静动特性的理论分析和试验测试,对高端轴承的设计、制造和故障防治等具有十分重要的意义,能够克服关键技术难点,提高滑动轴承仿真精度,保证滑动轴承的加工制造品质,防止转子失稳和轴承故障的发生,进而避免转子振动异常和轴承损坏。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH452
【图文】：

轴承故障,轴位移

，在必行，发展空间和发展机遇均不容错过。离心压缩机作为金属冶炼、压力供给、气逡逑体输送及分离等工业部门的核心设备，其转子稳定性和轴位移故障影响着整套机组的逡逑可靠运行和企业生产的经济效益。滑动轴承是离心压缩机中不可或缺的基础零部件。逡逑随着我国国民经济的提升和国防建设的需要，对旋转机械中起支承、减振等作用的滑逡逑动轴承提出了特殊的要求：高转速、高载荷、高精密、高性能、高精度、低噪声、长逡逑寿命等优点，能够应用在高转速及高性能动力设备中。逡逑因为转子的径向振动与轴向振动都关乎着离心压缩机的安全运行，压缩机的转子逡逑稳定性和轴位移故障防治一直受到国内外专家学者的关注。例如，在图１－１中，某压逡逑缩机组内，由于径向圆瓦轴承的润滑油膜发生了油膜涡动和油膜振荡，使转子发生失逡逑稳，首先造成径向轴承磨损，导致转子和止推盘倾斜，进而引发固定瓦推力轴承烧瓦逡逑的轴位移故障，为机组发电带来巨大的经济损失。为消除转子稳定性和轴位移故障，逡逑将原轴承更换为能够直接润滑和自动调心的可倾瓦推力轴承和可倾瓦径向轴承，如图逡逑１－２所示，因为可倾瓦轴承瓦块能够绕支点自由的摆动，并不容易产生油膜失稳现象，逡逑在服务６年后除定期检修维护，未出现严重的轴承磨损故障。以上故障案例说明，轴逡逑承烧瓦或磨损是转子稳定性及轴位移故障的最直接体现之一，对转子稳定性与轴位移逡逑故障的防治研究是很有必要的。逡逑

轴瓦,推力轴承,离心压缩机

Ｆｉｇ．１－２邋Ｂｅａｒｉｎｇ邋ｐｉｃｔｕｒｅ邋ｆｏｒ邋６邋ｙｅａｒｓ邋ｏｆ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎ邋ａｆｔｅｒ邋ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑离心压缩机轴位移故障通常是由超限的转子轴位移而导致的报警或联锁停车。些非正常工况发生时，过大的轴向位移可能损坏如密封、０形环等压缩机零部件推力轴承产生冲击力，破坏轴承油膜稳定。离心压缩机的轴向推力主要由静态力态力构成。对于发电与炼油工业中的透平机械，一般都由平衡盘来平衡部分稳态力，而由推力滑动轴承来承担残余轴向力。稳态轴向力过大会造成轴位移变大，会导致过高的轴瓦温度，也会导致过大的油膜刚度，容易引起推力轴承烧瓦或磨事故，使设备被迫联锁停机。因为平衡装置具有相对固定的平衡能力，所以仍需推力轴承来支撑设备运转过程中产生的动态力。推力轴承的轴向刚度和阻尼系数制转子轴向振动的主要参数，直接影响转子系统的振动稳定性。如果轴向动态激过大，可能引起轴向位移超过设计工作间隙，同样会造成推力轴承损坏，严重事生的可能性较大。因此，随着离心压缩机转速的提高，推力轴承静动态特性的准测变得越来越重要。同时，与现有的试验结果相比较，理论预测的验证是有必要的。逡逑离心压缩机转子的稳定性是指转子受到微弱扰动后复原为初始状态的行为。为转子的稳定运行，其运动状态在受到外部干扰后，整个系统需具有抗激励的能力持稳定性。我国曾引进数套大化肥装置，其中一些心压组，

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很多方面的原因能够引起离心压缩机轴位移故障，为识别和消除导致故障的原因莱赛兰（Ｄｒｅｓｓｅｒ－Ｒａｎｄ）公司的ＢｏｒｅｒＰ］采用全负荷测试法评估作用在离心叶轮上的力，逡逑过使用动压探针、应变片和振动传感器全面分析了压力脉动、旋转失速和叶轮应力逡逑的相关故障机理，研宄证实计算流体力学（ＣＦＤ）的价值在于帮助理解气动力的产生。逡逑中高压离心压缩机转子轴向推力面临着精确计算和测定的挑战，曼透平（ＭＡＮ逡逑ｉｅｓｅｌ＆Ｔｕｒｂｏ）公司的Ｂｉｄａｕｔｆｆｌ提出推力轴承的承载能力应该足够高，以支撑机器寿命逡逑间的任何推力变化，但轴承尺寸又关乎功率损耗和转子动力学问题。ＧＥ公司的逡逑ａｌｄａｓｓａｒｒｅＷ通过全负荷试验数据验证了高压离心压缩机轴向推力的计算模型，推轴承瓦块上安装的力传感器，揭示了轴向推力与轴位移之间的变化趋势。索拉（Ｓｏｌａｒ）逡逑平公司的Ｋｕｒｚ［５］重点讨论了气流阻塞工况对压缩机气动性能、轴向推力载荷和径向逡逑荷的影响，指出气流阻塞减弱了压缩机叶轮交变应力的强度。逡逑国内很多学者分析探讨了实际机组的轴位移故障，并提出了相应的解决措施。王逡逑阁［６］指出转子动平衡、找正、轴向力和推力轴承等问题都会引起轴位移增大。方紫逡逑［７］针对主推力瓦与止推盘主推面磨损严重的故障，对空气压缩机组进行了四次故障逡逑修，最终发现静电腐蚀是造成轴位移波动的关键因素。润滑油变质也容易造成轴位逡逑［８］

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