CN103267024B - 一种带电磁控制器的离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带电磁控制器的离心压缩机，包括转子、隔板、平衡盘。电磁控制器转子组件通过固定环固定在平衡盘上，电磁控制器静子组件固定在平衡盘对面的隔板上。静子硅钢片通过紧定螺栓和固定环组装成所述电磁控制器静子铁芯；在静子硅钢片上缠绕有线圈，通过通入电流，形成多个磁极；在各个磁极之间插入有密封体，使得电磁控制器静子铁芯的内表面形成一个圆柱面；圆柱面上开设有沉孔，形成孔式阻尼密封。本发明可以安装在“背靠背”或者“直列型”的压缩机的平衡盘部位。在不损伤密封性能的情况下，可以通过该电磁控制器给转子施加任意频率、任意相位的激振力和控制力，从而在不降低现有机器性能的情况下，实现转子振动故障的在线消除。

Description

一种带电磁控制器的离心式压缩机

技术领域

本发明涉及一种带电磁控制器的离心式压缩机，主要用于石油、化工及冶金等过程工业领域。

背景技术

离心压缩机是石油开采与炼制、石油化工及煤化工工业的关键装备。近年来，随着其向高压、大流量、高效率方向发展。使得这种机器的转子的柔性逐步增加。大流量需要转子有比较大的跨距，这降低了转子的临界转速；而提高效率需要增加转子的转速，这样使得转子工作转速同一阶临界转速的比值越来越大。气体压力的提高，使得气体作用在转子上的气流激振力逐步增大。所有这些因素，均使得压缩机面临着转子失稳的难题。如何提高转子系统的稳定性成为工程科技界近年来不断追求的目标。

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，随着透平机械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转子的稳定性给予了高度的关注，但是失稳的案例还是时有发生。这种故障是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，虽然世界上各个透平机械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，而成为发散状，这样振动在短时间内急剧增大，便产生了转子的失稳。

近几十年来，针对失稳问题的众多解决方案就基于对失稳机理的认识，从三个方面展开。一是提高正阻尼；二是降低负阻尼；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。对于有些高压的透平机械来说，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佳。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面是平面，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

本发明为了克服上述缺陷，提出了一种带电磁控制器的离心式压缩机，通过该控制器给转子施加控制力，以提高转子的稳定性。同时，可通过该控制器诊断转子系统的故障，降低其过临界时的振动值，以及进行离心压缩机运转过程中的在线自动平衡。本发明中的电磁控制器，主要针对目前在离心压缩机上安装控制器时，找不到合适的位置而展开。本发明中的电磁控制器安装在离心压缩机的平衡盘部位，在电磁控制器上，加工有阻尼密封来替代原有的平衡盘密封，从而在不降低目前离心压缩机性能的情况下，实现转子振动的控制，提高稳定性。从而有望实现压缩机转子-密封-轴承系统的振动故障的自诊断、自修复。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种带电磁控制器的离心式压缩机，包括转子、隔板以及平衡盘，所述平衡盘随转子一起旋转，所述离心式压缩机内部的平衡盘设置于其所对应的隔板与转子之间；在所述隔板上固定有电磁控制器静子组件，在所述平衡盘上固定有电磁控制器转子组件；所述电磁控制器静子组件包括电磁控制器静子铁芯，线圈以及密封体；所述电磁控制器静子铁芯由静子硅钢片通过静子铁芯固定螺栓和静子铁芯固定环组装而成；按照顺时针或者逆时针方向在所述电磁控制器静子铁芯的静子硅钢片上缠绕有所述线圈，通过在所述线圈中通入电流使得所述电磁控制器的静子硅钢片磁化，从而形成多个磁极；在各个磁极之间插入有所述密封体，使得所述电磁控制器静子铁芯的内表面形成为一个圆柱面；在所述圆柱面上开设有沉孔，从而形成阻尼密封；所述电磁控制器转子组件包括转子硅钢片。

进一步地，所述电磁控制器静子组件还包括静子保持架、静子固定螺栓以及静子固定环，所述电磁控制器静子铁芯设置于静子保持架上，并通过端部设置的静子固定环以及静子固定螺栓设置于所述隔板上；

进一步地，所述电磁控制器转子组件还包括转子保持架，转子固定环以及转子固定螺栓，所述转子硅钢片设置于转子保持架上，并通过端部设置的转子固定环以及转子固定螺栓设置于所述平衡盘上，在离心压缩机运行过程中随转子一起旋转。

进一步地，所述沉孔的轴线沿所述圆柱面的法线方向。

进一步地，所述沉孔的深度为2-5mm。

进一步地，所述沉孔的形状是直径为2-8mm的圆形孔。

进一步地，通过改变线圈中的电流，给转子施加电磁力。

进一步地，所述多个磁极分为多个N极和S极。

进一步地，所述静子硅钢片通过线切割或者冲压方式加工而成。

或者，所述的电磁控制器静子铁芯不是通过静子硅钢片和静子铁芯固定环组装而成，而是利用电工纯铁，直接采用线切割的方法加工而成的电磁控制器静子铁芯，电磁控制器静子铁芯上缠绕有所述线圈。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

研究表明，通过主动控制的方法解决转子的振动问题，提高稳定性，是一种行之有效的方法。但是通常控制器的安装，都需要一定的转子上的轴向空间。而轴向空间的增大，势必会降低转子的动力学性能，是离心压缩机设计所不期望的。

为了防止流体从透平机械内部的高压侧向低压侧泄漏，通常流体机械内部，均有较大的轴向空间是用来做流体密封的。本发明就是利用一种带密封功能的电磁控制器，用该控制器来替代现有的平衡盘密封，可以不降低原有密封性能的前提下控制转子的振动，提高转子系统的稳定性。

本发明的另一个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，所需要的电磁控制器的体积就会小，比较适合在离心压缩机内部紧凑的空间中使用。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，施加相应的控制力，实现转子振动故障的在线消除。

附图说明

图1为“背靠背型”离心压缩机转子、叶轮及平衡盘布置图；

图2为带电磁控制器的“背靠背型”离心压缩机转子、叶轮及平衡盘布置图；

图3为本发明的在平衡盘部位安装电磁控制器后的结构；

图4为本发明的电磁控制器静子铁芯的结构；

图5为电磁控制器静子铁芯上缠绕线圈后的结构；

图6为本发明电磁控制器铁芯磁极之间插入密封体结构；

图7为本发明电磁控制器内表面开沉孔后形成密封的结构示意图；

图8为本发明电磁控制器内表面所开沉孔的孔排列示意图；

图9为“直列型”离心压缩机转子、叶轮、平衡盘及干气密封结构；

图10为在平衡盘安装电磁控制器后的“直列型”离心压缩机转子、叶轮、平衡盘及干气密封结构；

其中：1-转子；2-定位套；3-叶轮；4-隔板；5-电磁控制器静子组件；6-平衡盘；7-电磁控制器转子组件；8-转子硅钢片；9-静子硅钢片；10-静子保持架；11-静子固定螺栓；12-静子固定环；13-平衡盘密封；14-转子固定环；15-转子固定螺栓；16-转子保持架；17-静子铁芯固定螺栓；18-静子铁芯固定环；19-线圈；20-磁极；21-密封体；22-圆柱面；23-阻尼密封；24-口环汽封；25-干气密封；26-轴承；27-联轴器；28-电磁控制器静子铁芯

具体实施方式

以下结合附图1-10对本发明的具体实施例加以说明。

1．实施例1

典型“背靠背型”离心压缩机转子、叶轮及平衡盘结构如图1所示，由转子1、定位套2、叶轮3、隔板4以及平衡盘6组成。在平衡盘6上加工有平衡盘密封13。在本发明中如图2所示，在隔板4上固定电磁控制器静子组件5。在平衡盘上固定电磁控制器转子组件7。如图3所示，电磁控制器静子组件5由电磁控制器静子铁芯28，静子保持架10，线圈19、密封体21、静子固定螺栓11和静子固定环12构成。电磁控制器转子组件由转子保持架16，转子硅钢片8，转子固定环14和转子固定螺栓15组成。

在本发明中，如图4所示，通过线切割或者冲压的方式加工成的静子硅钢片9，并通过静子铁芯固定螺栓17和静子铁芯固定环18将静子硅钢片9组装成电磁控制器静子铁芯28，或者用电工纯铁，直接采用线切割的方法加工成电磁控制器静子铁芯28。如图5所示，在静子硅钢片9上按照顺时针或者逆时针方向缠绕线圈19，通过在线圈19中通入电流使得电磁控制器静子硅钢片9磁化，形成磁极20，分为N极和S极。如图6所示，通过在磁极20和磁极20之间插入密封体21，使得电磁控制器静子铁芯28的内表面形成为一个圆柱面22。如图7所示，在圆柱面上开沉孔，形成阻尼密封23，沉孔的轴线沿所述圆柱面22的法线方向，深度为2－5mm。沉孔的截面形状为是直径为2-5mm的圆形孔，其分布如图8所示。通过改变线圈19中的电流，给透平机械的转子1施加电磁力。

2．实施例2

对于典型的“直列型”离心压缩机转子1、叶轮3、平衡盘6及干气密封25结构布置如图9所示。口环汽封24用来限制轮盖测流体的泄漏，轴承26用来支承转子，联轴器27用来给转子传递扭矩。在本发明中，对于“直列型”离心压缩机，如图10所示，在隔板4上固定电磁控制器静子组件5。在平衡盘上固定电磁控制器转子组件7。

对于以上的两个实施例，其电磁控制器的控制原理如下：

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。本发明中的电磁控制器，可以通过控制线圈8内的电流来在转子上施加一个可控的磁场，通过控制该磁场，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，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K_d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 $K_c=\left[\begin{array}{cc}& -k_{\mathrm{xy}}\\ k_{\mathrm{xy}}& \end{array}\right]---\left(4\right)$

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

本发明的电磁控制器，由于具有密封功能，因此可以安装在原透平机械上的气体密封部位以节省转子轴向空间，从而在控制过程中，在转子轴线方向上，能够让控制力的位置距离故障力的位置最小。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，比较适合在透平机械内部这样紧凑的空间中使用。

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 (9)

1.一种带电磁控制器的离心式压缩机，包括转子(1)、隔板(4)以及平衡盘(6)，所述平衡盘(6)随转子(1)一起旋转，其特征在于：所述离心式压缩机内部的平衡盘(6)设置于其所对应的隔板(4)与转子(1)之间；在所述隔板(4)上固定有电磁控制器静子组件(5)，在所述平衡盘(6)上固定有电磁控制器转子组件(7)；

所述电磁控制器静子组件(5)包括电磁控制器静子铁芯(28)，线圈(19)以及密封体(21)；所述电磁控制器静子铁芯(28)由静子硅钢片(9)通过静子铁芯固定螺栓(17)和静子铁芯固定环(18)组装而成；按照顺时针或者逆时针方向在所述电磁控制器静子铁芯(28)的静子硅钢片(9)上缠绕有所述线圈(19)，通过在所述线圈(19)中通入电流使得所述静子硅钢片(9)磁化，从而形成多个磁极(20)；在各个磁极(20)之间插入有所述密封体(21)，使得所述电磁控制器静子铁芯(28)的内表面形成为一个圆柱面(22)；在所述圆柱面(22)上开设有沉孔，从而形成阻尼密封(23)；

所述电磁控制器转子组件(7)包括转子硅钢片(8)；所述电磁控制器静子组件(5)还包括静子保持架(10)、静子固定螺栓(11)以及静子固定环(12)，所述电磁控制器静子铁芯(28)设置于静子保持架(10)上，并通过端部设置的静子固定环(12)以及静子固定螺栓(11)设置于所述隔板(4)上。

2.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述电磁控制器转子组件(7)还包括转子保持架(16)，转子固定环(14)以及转子固定螺栓(15)，所述转子硅钢片(8)设置于转子保持架(16)上，并通过端部设置的转子固定环(14)以及转子固定螺栓(15)设置于所述平衡盘(6)上，在离心压缩机运行过程中随转子一起旋转。

3.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述沉孔的轴线沿所述圆柱面(22)的法线方向。

4.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述沉孔的深度为2-5mm。

5.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述沉孔的形状是直径为2-8mm的圆形孔。

6.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：通过改变线圈(19)中的电流，给转子(1)施加电磁力。

7.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述多个磁极(20)分为多个N极和S极。

8.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述静子硅钢片(9)通过线切割或者冲压方式加工而成。

9.根据权利要求1所述的带电磁控制器的离心式压缩机，其特征在于：所述的电磁控制器静子铁芯(28)不是通过静子硅钢片(9)和静子铁芯固定环(18)组装而成，而是利用电工纯铁，直接采用线切割的方法加工而成的电磁控制器静子铁芯(28)，电磁控制器静子铁芯(28)上缠绕有所述线圈(19)。