CN101949386A - 一种离心压缩机稳定性控制装置 - Google Patents

Abstract

一种离心压缩机稳定性控制装置，在平衡盘和壳体之间的间隙处采用迷宫密封或蜂窝密封，迷宫密封的密封齿在平衡盘上或者平衡盘对应的静子上；在压缩机隔板上固定硅钢片，在硅钢片上上缠绕线圈，通过控制线圈中的电流，给转子施加有多个频率成分组成的控制力；根据转子的振动确定各个频率成分的控制力的相位和幅值。隔板上的线圈和所对应的位置，设有在轴向位置节省空间的凹槽。平衡盘上设有电磁控制装置的转子件，在硅钢片和平衡盘之间采用防止涡流效应的铝板隔离。在转子轴线方向上，控制力的位置距离故障力的位置最近。本发明结合现有的平衡盘结构，在平衡盘处安装电磁装置。该装置可以给转子施加任意频率、任意相位的激振力和控制力，实现转子振动故障的在线消除。

Description

一种离心压缩机稳定性控制装置

技术领域

本技术主要用于石油、化工等过程工业中使用的离心式压缩机稳定控制装置。

背景技术

转子失稳通常是指当转速达到一定值后处于临界状态，这时如果遇到微小的扰动，就有可能使得转子振动突然加剧，引起跳车的一种故障。自上个世纪60年代以来，随着离心压缩机的功率及转速的升高，一些在低速、小功率下表现较弱的问题逐渐变得越来越突出，其中稳定性问题显的尤为显著。在最近的几十年来，虽然工程界和科技界都对压缩机的稳定性给予了高度的关注，但是压缩机失稳的案例还是时有发生。这种故障时一种比较顽固的故障，一旦出现就需要对机组做大的改造。

在目前的工程应用中，对于解决失稳问题通常有两个技术难点，其一是在运行中或者通过一次跳车的数据能够准确的诊断预测出故障的类型以及原因。同样的振动突然增大现象有可能是由于动静部件之间的碰磨、转子上某些部件的脱落、转子的失稳等。如何从这些现象中及早的判断出原因对于最大程度的降低故障带来的损失是非常有必要的。第二个技术难点是如何制定相应的解决方案，以节约时间的方式解决失稳问题。失稳可能是由于轴承引起的，或者通过仅修改轴承的结构就可以解决问题，或者有必要修改转子上的迷宫密封的结构等。通过开发一种判别技术，能够准确的对修改方案进行评定，从事实现故障快速消除的目的。

在这种故障的处理上，虽然世界上各个压缩机厂商都曾经做出过努力，例如美国最大的压缩机公司Dresser-Rand在平衡盘上采用阻尼密封、日本三菱在推力盘外侧增加阻尼环、Elliot公司宣称通过增大转子的轴径来提高转子的稳定性。

关于失稳故障，从力学机理上讲就是转子系统内部出现了负阻尼。通常在振动中的阻尼为正的，即随着振动过程的持续，阻尼的作用是耗散能量，这样振动会越来越小。而负阻尼意味着这种阻尼给转子注入能量，振动会随着时间的延长而不断加剧。在离心压缩机运行过程中，同时存在正阻尼和负阻尼。在较低的转速下，转子正阻尼占主导，因此转子表现的比较稳定。而随着转速的升高和功率的加大，正负阻尼几乎相互抵消，此时的转子系统处于临界状态。当转速再次升高，负阻尼超过正阻尼而占主导地位，当出现小扰动时，振动不再回到原来的位置，而成为发散装，这样振动在短时间内急剧增大，便产生了转子的失稳。

转子的稳定性问题近年来越来越受到广大压缩机制造厂商和压缩机用户的关注。对失稳故障的诊断目前是仅仅从振动的频谱和振动的趋势分析加以判别的。从振动特征上来讲，失稳振动的频谱为0.4～0.5倍频成分占主导。而从振动趋势分析来讲，这种故障是随着三个工况参数变化的：1)压缩机转速；转速升高，压缩机有可能发生失稳；2)压比；压比升高，压缩机容易失稳；3)气体组分；气体密度增大，压缩机有可能失稳。那么从故障诊断的角度讲，如果压缩机故障前振动的低频分量很小，而由于上述三个工况参数的变化导致的低频分量的突然增大，这种故障就很可能是转子的失稳故障。遗憾的是，目前的故障诊断系统，是把机械参数和工况参数分开的，即只考虑了振动参数，而没有考虑工况参数。在做报警值设定时，很少将工艺参数同振动参数综合起来考虑，从而往往由于工艺参数的波动而导致故障。

近几十年来，针对失稳问题的众多解决方案就是针对上述对失稳机理的认识，从三个方面展开。一是提高正阻尼；而是降低负阻尼、三是提高失稳的临界。在这三种方法的基础上，还诞生出他们两两相组合的方法。

对于第一种方法有代表性的技术是采用挤压油膜阻尼器和阻尼环。一种在可倾瓦止推轴承外面串联一个挤压油膜阻尼器的结构，在转子运转过程中，由于振动而使得转子持续反复的挤压结构，使得这些结构之间小间隙内的流体流入和流出，此时由于流体的粘性而耗散能量。通过这种方式，向转子内引入了阻尼。但是这种方案适合在设计阶段采用。对于一个已经制造好的机组，如果采用这种技术，就需要增加轴承座的尺寸。这些改动在现场实施是很有难度的。对于有些高压的压缩机来说，已经预计到转子在运转过程中将会发生失稳，因此多采用这种技术。例如高速的航空发动机。

另一种提高转子正阻尼的方式，即采用阻尼轴承，这也是最早开始的解决转子稳定性的办法。最早的压缩机采用圆柱瓦，后来发现该形式的轴承由于转子和轴承之间的间隙内润滑油存在过大的周向速度，该速度将会使得转子交叉刚度和阻尼增大而主阻尼降低。后来采用刮瓦的形式制造了椭圆瓦，以及在此基础上开发的错口瓦、三油楔瓦，直到今天的可倾瓦。基于轴承摩擦与润滑的机理，近年来还开发出多种用以提高转子稳定性的轴承，例如Bently公司提出的动静压结合轴承，根据他们公司的宣传材料，这种轴承能够从根本上解决转子的失稳问题，但是到目前为止还没有工业应用的案例。

第二种目前可以用于提高转子稳定性的方法就是努力的降低转子系统中的负阻尼。转子系统的负阻尼主要来源于轴承(在采用可倾瓦轴承后，这种情况已经基本消除)、密封及叶轮。其根源是旋转部件同静止部件之间的小间隙内存在流体的周向流动。这种流体的周向流动，使得其周围的压力不均匀分布，从而产生了交叉刚度。当交叉刚度产生的力超过了阻尼力的时候，这种刚度就会导致转子失稳。

基于这种对负阻尼的基本原理的认识提出了众多的解决方案。具有代表性的是美国Dresser公司的阻尼密封技术，这种密封从外形上看类似于蜂窝密封，但是不同之处在于蜂窝密封是用哈氏合金经过焊接而成，而这种孔式阻尼器密封是用铝制成的，这样，由于铝材比较软，因此有比较好的耐碰磨的性能。经过在多次压缩机的密封改造中采用这种密封的实际应用经验来看，这种密封具有比较好的效果。在最近的文献报道中还出现了在轴向上孔深不相等的结构，即在高压侧，密封内的孔相对较深，而在低压侧，孔深较浅，类似于喇叭口的这种结构。理论研究表明，这种结构的密封其稳定性更嘉。在密封改造时，这种密封的难点在于要求平衡盘或者转子部件的表明是平面，如果不是这样，就需要更换平衡盘甚至对转子进行重新的高速动平衡。为解决这种情况，设计出了针对平衡盘表面高低台阶的形状。

除此之外的第三种解决方案就是提高失稳的临界。通常的做法是增大转子的直径，或者减小转子的跨距。因为理论研究结果表明，失稳振动只有当转速超过二倍的一阶临界时才会发生，只要提高一阶临界转速，就可以提高失稳转速。但是通常增大转子的直径要么会使得压缩机的造价更加昂贵，要么是以牺牲压缩机的效率为代价。减小跨距虽然可以提高失稳转速，但是这个要受到很多约束，因此还是非常有局限性。

纵上所述，提高转子稳定性的方法有很多，但是没有一个方法是万能的，而且有时候单独的依靠某一种方法也很难解决问题，需要多种方法的配合使用才能起到效果。为解决压缩机的转子的稳定性问题，国内的众多高校在上述技术的基础上提出了很多种方法，例如可控的挤压油膜阻尼器(上海交通大学)、可控的三油楔轴承(东北大学)以及可控的反漩流(北京化工大学)、可控的轴承载荷(浙江大学)等方法，这些技术在实验室证明是有效的。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种离心式压缩机稳定性控制装置，解决压缩机的转子的稳定性问题。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种离心压缩机稳定性控制装置，包括：离心压缩机转子、第一定距套、离心叶轮、隔板及平衡盘密封静子、离心叶轮、第二定距套、平衡盘；离心压缩机的平衡盘位于转子的中间，在平衡盘和壳体之间的间隙处采用迷宫密封或蜂窝密封，迷宫密封的密封齿在平衡盘上或者平衡盘对应的静子上；在压缩机隔板上固定硅钢片，在硅钢片上上缠绕线圈，通过控制线圈中的电流，给转子施加有多个频率成分组成的控制力；转子的振动确定各个频率成分的力的相位和幅值。

前述的隔板上的线圈和所对应的位置，设有在轴向位置节省空间的凹槽。

前述的平衡盘上设有电磁控制装置的转子件，与静子件上的硅钢片相对应，形成磁场的N级和S级，在硅钢片和平衡盘之间采用防止涡流效应的铝板隔离。

前述的线圈，给转子施加防止转子上的部件同静子发生碰摩的电磁力。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

离心压缩机稳定性控制装置，在平衡盘和壳体之间的间隙处采用迷宫密封或蜂窝密封，迷宫密封的密封齿在平衡盘上或者平衡盘对应的静子上；在压缩机隔板上固定硅钢片，在硅钢片上上缠绕线圈，通过控制线圈中的电流，给转子施加有多个频率成分组成的控制力；根据转子的振动确定各个频率成分的控制力的相位和幅值。隔板上的线圈和所对应的位置，设有在轴向位置节省空间的凹槽。

在控制过程中，在转子轴线方向上，控制力的位置距离故障力的位置最近。这样较小的控制力就可以达到控制效果，在这种情况下，所需要的电磁轴承的体积就会小，比较适合在离心压缩机这样紧凑的空间中使用。在隔板上，在线圈和所对应的位置加工出凹槽，这样可以在轴向位置更加节省空间。另外，电磁控制装置的转子件固定在平衡盘上，同静子件上的硅钢片相对应，形成磁场的N级和S级。在硅钢片和平衡盘之间用铝板隔离，防止了涡流效应。本发明结合现有的平衡盘结构，在平衡盘处安装电磁装置。该装置可以给转子施加任意频率，任意相位的激振力和控制力。在转子运行过程中，可以通过给转子施加激振力，通过测量转子对激振力的响应诊断和预测转子系统可能会发生的故障，同时根据故障的种类，施加响应的控制力，实现转子振动故障的在线消除。

附图说明

图1为现有的背靠背型的离心压缩机平衡盘及其密封结构示意图；

图2为本发明中的背靠背型的平衡盘密封及控制单元的结构示意图；

图3为本发明中的背靠背型的平衡盘密封及控制单元的结构放大图；

图4为控制单元转子及静子件硅钢片截面图。

图5为本发明直列型离心压缩机稳定性控制装置的平衡盘密封及控制单元的结构示意图。

其中，1-离心压缩机转子；2-定距套；3-离心叶轮；4-隔板及平衡盘密封静子；5-离心叶轮；6-定距套；7-平衡盘；8-控制单元组件；10-固定螺栓；11-线圈；12-平衡盘密封静子；13-控制单元转子(硅钢片)；14-固定螺栓；15-线圈；16-固定螺栓；4-隔板；9控制单元静子(硅钢片)；21为第二离心压缩机转子；22为第二离心叶轮；23为口环密封；24为第二压缩机缸体；27为第二联轴器；28为第二径向轴承；30为第二控制单元静子(硅钢片)；31为第二线圈；32为第二控制单元转子与固定螺栓。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明。

第一实施例：对于背靠背型的离心压缩机稳定性控制装置，如图1所示，平衡盘位于转子的中间，在平衡盘和壳体之间的间隙处采用迷宫密封或者蜂窝密封，迷宫密封的密封齿是在平衡盘上或者平衡盘对应的静子上。在本发明中，如图2所示，在压缩机隔板(4)上固定硅钢片，硅钢片的形状可以如图7(a)和图7(b)所示。在平衡盘(7)上，安装硅钢片，硅钢片的形状如图7(c)所示。在控制单元组件(8)上缠绕线圈，通过控制线圈中的电流，可以给转子施加任意频率、任意幅值和任意相位的力。通过这种方式，可以控制转子的振动，增大转子-轴承系统的阻尼比，从而增强转子的稳定性。

对于离心压缩机转子来讲，由于叶轮(3)和叶轮(5)两侧均存在压力差，使得叶轮上作用着指向叶轮低压侧的轴向力，同样，安装在转子上的平衡盘(7)(通常称为平衡盘或平衡活塞)，由于平衡盘(7)两侧的压力差，也会使得它上面产生一个轴向力，该轴向力会抵消一部分由于叶轮(5)产生的轴向力。转子(1)上作用的轴向合力会传递到离心压缩机的止推轴承上，由它来承受转子上轴向力的合力。平衡盘(7)两侧具有较大的压差。为了限制平衡盘(7)和压缩机壳体(4)之间的缝隙内流体的泄漏流动，在上面安装了密封齿(常称为迷宫密封和梳齿密封)。在压缩机运行过程中，正是这种密封，使得压缩机在运行中可能产生失稳。

磁场是可以在空间传播的，那么在相互不接触的部件之间就可以产生一定的作用力。本发明就是在转子上施加一个可控的磁场，通过控制该磁场，来给转子施加一个激振力或者振动控制力。当作用在转子上的故障力可以写成多个简谐力的合力，如式(1)所示时，

$P_1=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{1n}{e}^{j(\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{1n})}---\left(1\right)$

n为整数，ω为转子的转速，φ_1n为激振力的相位，F_1n为激振力的幅制。此时作用在转子上的电磁控制力应为P2，

$P_2=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{2n}{e}^{j(\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{2n})}---\left(2\right)$

例如，当故障为不平衡时，n＝1；当故障为不对中时，n＝1，2；

如果转子上的故障力为非保守的切向力，当这些力产生的能量不能被阻尼系统所消耗时，转子系统系统将会发生失稳，这种非保守的力可以用矩阵Kd所示，

$K_d=\left[\begin{array}{cc}& k_{\mathrm{xy}}\\ -k_{\mathrm{xy}}& \end{array}\right]---\left(3\right)$

此时可以通过电磁装置给转子施加的作用可以用一个刚度矩阵Kc或者阻尼矩阵Dc表示。

$K_c=\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{xx}}& \\ & k_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$ 或 $K_c=\left[\begin{array}{cc}& {-k}_{\mathrm{xy}}\\ k_{\mathrm{xy}}& \end{array}\right]---\left(4\right)$

$D_c=\left[\begin{array}{cc}{d}_{\mathrm{xx}}& \\ & d_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

本发明的电磁装置(8)和平衡盘(4)及相应的密封系统(7)构成一个整体的系统，其优点是在控制过程中，在转子轴线方向上，控制力的位置距离故障力的位置最近。这样较小的控制力就可以达到控制效果，在这种情况下，所需要的电磁轴承的体积就会小，比较适合在离心压缩机这样紧凑的空间中使用。在隔板(4)上，在线圈(11)和(15)所对应的位置加工出凹槽，这样可以在轴向位置更加节省空间。

电磁控制装置的转子件(13)固定在平衡盘上(7)上，同静子件上的硅钢片(9)相对应，形成磁场的N级和S级。在硅钢片和平衡盘之间用铝板隔离，以防止涡流效应。

第二实施例：对于直列型离心压缩机稳定性控制装置，如图5所示，21为第二离心压缩机转子；22为第二离心叶轮；23为口环密封；24为第二压缩机缸体；27为第二联轴器；28为第二径向轴承；30为第二控制单元静子(硅钢片)；31为第二线圈；32为第二控制单元转子与固定螺栓。

在本发明中，第二平衡盘27上固定控制单元转子(硅钢片)，在第二平衡盘29对应的隔板上固定控制单元静子(硅钢片)30。在第二控制单元静子30上缠第二线圈31。在压缩机运行过程中，通过控制线圈31中的电流来给转子施加可控的电磁力。这种控制力是以增加压缩机转子-轴承系统的阻尼比为目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种离心压缩机稳定性控制装置，包括：离心压缩机转子(1)、第一定距套(2)、离心叶轮(3)、隔板及平衡盘密封静子(4)、离心叶轮(5)、第二定距套(6)、平衡盘(7)；其特征在于：离心压缩机的平衡盘(7)位于转子的中间，在平衡盘(7)和壳体之间的间隙处采用迷宫密封或蜂窝密封，迷宫密封的密封齿在平衡盘上或者平衡盘对应的静子上；在压缩机隔板(4)上固定硅钢片，在硅钢片上(8)上缠绕线圈，通过控制线圈中的电流，给转子施加有多个频率成分组成的控制力；转子的振动确定各个频率成分的力的相位和幅值。

2.根据权利要求1所述的一种离心压缩机稳定性控制装置，其特征在于：所述的隔板(4)上的线圈(11)和(15)所对应的位置，设有在轴向位置节省空间的凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种离心压缩机稳定性控制装置，其特征在于：所述的平衡盘上(7)上设有电磁控制装置的转子件(13)，与静子件上的硅钢片(9)相对应，形成磁场的N级和S级，在硅钢片和平衡盘之间采用防止涡流效应的铝板隔离。

4.根据权利要求1所述的一种离心压缩机稳定性控制装置，其特征在于：通过所述的线圈，给转子施加防止转子(1)上的部件同静子(4)发生碰摩的电磁力。

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