大型空分裝備運行穩定性的影響因素總結空分裝備的運行穩定性是指空分裝備在運行過程中，內部構件在外部載荷下，其振幅保持在一定范圍內。其失穩的主要表現形式為部件工作異常，動力系統出現振蕩、分叉以及混沌等動力學行為。影響穩定性的部件主要有轉子軸承系統、葉輪、管道等。由于大型空分設備中使用的大多是離心壓縮機【1】，離心壓縮機在工作工程中不會引起明顯的氣流脈動，所以管道的振動主要是由空氣壓縮機的振動引起的。而轉子軸承系統和葉輪則為空氣壓縮機的核心部件，因此空分裝備的運行穩定性的核心問題即使空氣壓縮機的振動問題。引起空氣壓縮機運行不穩定的主要因素有：1. 轉子的不平衡【2】旋轉機械的轉子由于受到材料質量和加工技術等各方面的影響,轉子上的質量分布與中心線不可能絕對地軸對稱,固此任何一個轉子不可能做到絕對平衡,轉子質量中心與旋轉中心線之間總是有偏心距存在【3】。這就使得轉子旋轉時形成周期性離心力干擾,在軸承上產生動載荷,使機器產生振動。轉子質量不平衡的原因有:設計問題、材料缺陷、加工與裝配誤差、工藝過程等問題。轉子不平衡故障特征是:在轉子徑向測檢的頻譜圖上,轉速頻率成分具有凸出的峰值;轉速頻率的高次諧波值很低，因此反映在時域波形圖上是一個正弦波;對于普通兩端支撐的轉子,軸向測點上的振值并不明顯。2. 轉子的不對中轉子不對中類型有平行不對中、角度不對中和組合不對中。其不對中的原因有:設計過程中熱膨脹計算與實際有誤差、安裝或檢修對中誤差、導向系統未鎖緊等。轉子不對中引起的故障及特征：1)改變了軸承的油膜壓力,負荷較小的軸承可能引起油膜失穩。往往是緊靠聯軸器兩端的軸承出現最大振動。2)不對中引起的振幅與轉子的負荷有關,隨負荷的增大而增大,位置低的軸承振幅比位置高的軸承振幅大,因為低位軸承被架空,油膜穩定性下降。3)平行不對中主要引起徑向振動,角不對中主要引起軸向振動。4)不對中使聯軸節兩側產生相位差。5)從振動頻率上分析,不同形式的不對中產生不同的頻率。3. 轉子與氣封之間的摩擦為了提高離心壓縮機的效率,往往把密封間隙、葉輪頂間隙做得很小,以減小氣體的泄漏。但是小間隙除了會引起流體動力激振外還容易發生轉子與氣封的碰磨。發生局部碰磨的特征：碰磨時,接觸力和轉子運動之間為非線性關系,使轉子產生次諧波和高次諧波振動。局部碰磨一般是不對稱的非線性振動,因此多數情況下產生轉速頻率的1/2次諧波振動,當轉速高于轉子一階自振頻率的2倍時,就會產生共振。4. 裂紋裂紋是由于加工誤差，安裝誤差，意外沖擊和疲勞破損造成，難發現，其造成的后果極為嚴重。5. 油膜振蕩有些輕載轉子,半速渦動在較低轉速就產生了,使得轉子變為不穩定,但由于油膜的剛性和阻尼作用,抑制了渦動幅度,使轉子仍能平衡工作。隨著轉速的升高,半速渦動幅值逐漸增加,直到轉速升高到第一臨界轉速的兩倍附近時,渦動頻率與轉子一階自振頻率重合。轉子軸承系統發生強烈的油膜共振,這種共振渦動稱為油膜振蕩,其頻率為轉子的一階自振頻率。油膜振蕩的特征：油膜振蕩往往十分劇烈,瞬時振幅突然升高,很快發生局部油膜破裂。引起軸頸與軸瓦間的磨擦,發出吼叫聲,嚴重損壞軸承和轉子。判別是否發生油膜振蕩首先要看振動頻率是否接近轉速的1/2,但必須與動靜磨擦區分開來,動靜磨擦也發生半頻振動。頻譜、軸心軌跡及波形特征是: (1)較大的徑向振動。頻譜中有明顯而穩定的渦動頻率分量可能有高次諧波分量; (2)軸向振動在渦動頻率處的分量較小; (3)若在一階臨界轉速頻率處出現峰值,則表明已出現油膜振蕩; (4)軸心軌跡呈現雙橢圓或紊亂不重合,軸心軌跡呈現內“8”字形; (5)時域波形中穩定的周期信號占優勢,每轉一周少于一個峰值,沒有較大的加速度沖擊現象6. 氣流激振【4】氣流激振產生的振動屬密封間隙動力失穩的范疇，引起氣流激振主要是在高速旋轉的轉子與定子小間隙處，由于密封間隙內壓力徑向分布不均產生激振力，導致轉子運行失穩，發生異常振動。由于氣流進人密封腔后動能并不完全損失掉，還有一定余速，它不僅使氣流沿軸向流動，而且還以很大的圓周速度分量圍繞轉子轉動，形成螺旋形流動。如果密封腔內徑向間隙不均勻(加工精度偏差或轉子彎曲所致)，則氣流在密封腔中從進口流向出口時隨著截面間隙的不斷變化，氣流沿著流動方向上的壓力不斷發生變化，因而在轉子周圍形成分布不均勻的激振力。當到達一定轉速，隨著工作介質壓力及負荷的變化，轉子會突然失穩發生強烈振動。氣流激振發生時振動特征與油膜振蕩相似，其振動波形、頻譜軸心軌跡、進動方式及相位變化與油膜振蕩很難區分，兩者的主要區別是敏感系數不同。密封間隙動力失穩對設備工作介質的壓力及負荷變化更為敏感，當工作轉速達到某一值(一般為工作轉速大于或等于一階臨界轉速的2倍)時，會突然失穩。7. 葉輪積垢由于氣流中含有水分、雜質、灰塵等，長期運行后葉輪表面會產生積垢。葉輪積垢會破壞轉子系統原有的平衡性，且葉輪積垢在受到外力沖擊時的脫落具有不確定性，都會導致轉子運行時的不平衡，致使空氣壓縮機的振幅升高。這將極大地影響空分設備運行的穩定性。8. 軸向間隙變化轉子高速旋轉時，氣流沿軸向進入葉輪，增壓后獲得能量成為高壓氣流，沿葉輪徑向流出。這樣便會在葉輪輪背與入口間形成壓力差，這個壓力差作用在葉輪表面，形成一部分不平衡的軸向力。同時，高速氣流沿軸向流入葉輪葉道，高速旋轉后又沿徑向從葉道中流出，由于軸向氣流動量的瞬時變化，形成了一種對葉輪表面的軸向沖擊力。該軸向沖力與作用于葉輪兩端的氣壓差共同推動轉子做軸向運動，這兩種軸向力的矢量和形成了作用于轉子的軸向推力。在結構設計中如不能有效平衡軸向力就會造成軸承工作環境的惡化并導致轉子軸向間隙的變化。軸向間隙變化會使運行不穩定，極易造成葉輪破損。9. 旋轉失速與喘振【5】當離心式壓縮機工況發生變化時如果流過壓縮機的量減小到一定程度,進入葉輪或擴壓器的氣流方向發生變化,氣流向著葉片工作面產生沖擊,在葉片非工作面上產生很多氣流旋渦,旋渦逐漸增多,使流道流通面積減少。假如某流道中旋渦較多,多余的氣體就會進入相鄰葉道,進入前方葉道的氣體正好沖擊葉片非工作面,使旋渦減少,而進入了后方葉道的氣體沖擊工作面使旋渦增多,堵塞流道的有效流通面積,迫使氣流折向其它流道。如此發展下去,旋渦組成的氣團轉速反向傳播,并產生振動。旋轉失速的類型及特征：旋轉失速有漸進型和突變型兩種。漸進型失速是隨氣流量的減小,氣流堵塞區所占的面積是逐漸擴大的;突變型失速是在氣量減少到一定程度后失速區迅速擴大,占據較大面積,更容易產生較大的氣流脈沖,會引起強烈的機器和管道的振動。特征: (1)失速區內氣體減速流動,依次在各個葉道內出現與旋轉方向相反做環向移動,葉輪內壓力是軸不對稱的。(2)旋轉失速產生的振動基本頻率：葉輪失速在0. 50. 8轉速頻率，擴壓器失速在0. 10. 5轉速頻率。 (3)壓縮機進入旋轉失速后,壓力發生脈動,但流量基本不變。(4)旋轉失速引起的振動強度比喘振小。喘振是突變型失速的進一步發展。當氣量進一步減小時,壓縮機整個流量被氣體旋渦區所占據,這時壓縮機出口壓力會突然下降。但是有較大容量的管網壓力并不會馬上下降,出現管網氣體向壓縮機倒流現象。當管網壓力下降到低于壓縮機出口壓力時,氣體倒流停止,壓縮機又恢復到原來壓力后,又會出現整個流道內的旋渦區。這樣周而復始,出現了壓力和流量周期性的脈動,并發出低頻吼叫,機組產生劇烈振動。振動振幅和頻率與管網容積大小密切相關。管網容量越大,喘振頻率越低,振幅越大。多數大容量機組的振 動頻率1Hz。喘振產生的原因是: (1)壓縮機轉速下降而出口壓力未下降; (2)管網壓力升高; (3)壓縮機流量下降; (4)壓縮進氣溫度高; (5)分子量減小; (6)壓縮機進氣壓力下降或入口管網阻力增大。10. 耦合故障耦合故障是指系統中同時存在兩種以上的故障。綜上所述，控制空分設備的運行穩定性關鍵問題就在于控制空氣壓縮機的轉子軸承系統和葉輪的運動穩定性?！?】 周鑫寶 大型空分設備界區噪聲控制與治理 深冷