CN1291123A - 诊断和控制旋转机械中旋转失速和喘振 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于通过在一个比较步骤指示机器接近失稳条件时监测动态轴进动诊断和纠正旋转机器20中旋转失速和喘振的方法和装置。也提供了轴向振动监测装置26,用于监测并且把机器的动态轴向振动与一个标准比较,和在机器接近失稳条件时改变轴向振动。此外,本发明测量机器的复动态劲度,计算直接动态劲度和正交动态劲度,并通过监测直接动态劲度和正交动态劲度分量中的落差,用作失稳警告装置。一个改变旋转失速和/或喘振的实施例是利用一个受控活动伺服轴承40。

Description

诊断和控制旋转机械中旋转失速和喘振

本发明一般涉及压缩机或泵之类的具有旋转级的机械，更具体地讲，涉及遭受称为旋转失速和喘振的操作异常的机械，以及出自转子动态观点的诊断和控制这种失速和喘振的发生的方法和装置。

技术背景

旋转失速和喘振是可能在压缩机之类的旋转机械中导致出于多种原因的危险的机械损坏的重要机械现象。首先，流动线路衰减产生的转子振动可能损坏级间迷宫式密封。此外，逆流可能在叶轮叶片入口造成温度连续升高(和对应的出口压头降低)，导致喘振循环。压缩机的吸入和排放端之间的压力变化也可能造成轴向推力的迅速改变，因而导致止推轴承的损坏。另外，可能发生负载和速度的突然变化，因而对叶轮以及内部压缩和驱动组件造成有害影响。

此前，一直将旋转失速和喘振看成是空气动力学问题，并在空气动力学方面对旋转失速和喘振进行了广泛的研究。研究导致了以下通用工业定义：局部失速，级失速，失速区，喘振和旋转失速。局部失速是在叶轮或扩散器中的气流分离或逆流。级失速是在局部失速增大到一系列离心叶轮(和相关的入口和排放静止组件)中的一个在其流动横截面的一部分中经历逆流的点时。整体流动仍然是向前的加压方向。失速区是离心压缩机中遭受流量扰动和表现出失速征兆的叶轮或扩散器的任何横截面。喘振定义为周期性的流量振荡或压力摆动。如果这些振荡包括逆流，那么它是深度喘振。气流速度不足以适当地充满相邻导流叶片之间的空间。喘振沿轴向传播。旋转失速也叫作传播失速，是由覆盖数个叶片和流道的大失速区构成的。旋转失速以转子速度的几分之一沿圆周传播。失速区数量和传播速度变化很大。

此前，一直是通过监测和经过阀门改变出口压力比和／或入口压力比改变压缩机内压力流来解决旋转失速和喘振现象。此外，一直使用压力和温度的监测作为检测失速的标记。另外，对压缩机桨叶和叶片以及自转状态转子的几何形状进行机械结构上的改变。因此，尽管在空气动力学方面对旋转失速现象进行的广泛的研究，但很少有人注意这种现象的转子动态含义。因此，需要从振动诊断和转子动态角度更好地理解离心压缩机中的旋转失速。此外，需要有一种能够提供对问题的不仅仅是有关旋转失速和喘振条件的空气动力学结果的振动诊断和转子动态解决的装置和方法。

以下的现有技术反映了申请人所知的现有技术状态，并且包括在这里以尽到公开本申请人所了解的有关现有技术的责任。但是按照规定，这些参考没有一个能单独地讲授本发明，并且在以任何可以想象的组合考虑时，也不能提供与下面更为详细的说明中公开的，特别是权利要求所指出的本发明的显而易见的关系。

本发明在多个地方与现有技术不同。本发明与已知现有技术的最显著差别之一是本发明从振动诊断和转子动态观点处理旋转机械中的旋转失速和喘振。此外，本发明是一种监测称为旋转失速和喘振的操作异常的机械震动，和预测并控制这种失速和喘振发生的主动系统。作为这种主动干预的结果，在造成机械损坏之前改变这种旋转失速和喘振议程的发生。

在一个优选形式中，本发明使用了至少一对操作地耦合于旋转机器和一个处理装置的正交涡流位移传感器。传感器感测机器的旋转轴的原始动态横向振动，并向处理装置输出电信号。处理装置把电信号转换成，例如，轨道曲线图，以确定转子振动标记。然后将该标记与一个标准或范例比较，并且在机械接近比较步骤指出的失速条件时，改变轴的进动。最好通过一个轴承喷口注入流体引入流体力与旋转轴共同工作而改变轴的进动。

此外，可以将至少一个涡流位移传感器操作地耦合到机器和处理装置，用于测量，例如，机器的止推环的轴向振动的。然后，可以把这个测量值与一个标准或范例比较，并且当比较步骤指出机器接近旋转失速或喘振条件时，可以改变轴的轴向偏移。

另外，本发明提供了一种用于确定机器的复动态劲度的方法和装置，复动态劲度包括一个直接动态劲度分量和一个正交动态劲度分量。然后，可以把这两个分量用作失速警告装置，并且也可以用于诊断和纠正转子动态失稳效应。更具体地讲，可以监测直接动态劲度分量，并与一个相关于旋转失速的标准或范例比较。例如，可以监测正交动态劲度，以观测指示旋转失速的落差。此外，可以监测直接和正交动态劲度分量，以检测两个分量的零交叉点的重合性，用于诊断由于失速和喘振条件造成的失稳效应。

通过下面的对本发明的目的的讨论可以显示出本发明的工业应用性。

因此，本发明的一个主要目的是要提供一种用于在旋转机械中诊断和纠正旋转失速和喘振的新的和有用的方法和装置。

本发明的进一步的目的是要提供一种上述特征的方法和装置，其确定机械的直接动态劲度分量以开发出一种旋转失速预报器。

本发明的另一个目地是要提供一种上述特征的方法和装置，其确定机械的复动态劲度，以开发出一种旋转失速和喘振预报器。

本发明的再一个目的是要提供一种上述特征的方法和装置，其利用来自一个振动监测装置的信号以控制旋转失速。

本发明的再一个目的是要提供一种上述特征的方法和装置，其利用来自一个振动监测装置的信号以控制喘振。

本发明的再一个目的是要提供一种上述特征的方法和装置，其利用来自一个振动监测装置的信号，以提供即时振动抑制，防止转子和／或密封系统损坏。

本发明的再一个目的是要提供一种快速动作控制系统，该系统通过特别监测一个压缩机轴的机械震动(轴偏移)，并利用监测的信号提供直接机械动作，以在机械接近失速或失稳条件时改变轴的偏移。

本发明的再一个目的是要提供一种控制系统，该系统监测转子动态异常，以替代地或附加地提供一个控制信号，利用该控制信号提供对于压缩机的驱动速度或吸入／排放压力之类的旋转机械变量的改正动作。

从第一优点看，本发明的一个目的是要提供一种在一个具有一定流体通量的轴承支撑的旋转机器中避免失速的诊断和改正方法，该方法包括步骤：监测机器绕其旋转的轴的偏移；将该偏移与一种标准比较，并当比较步骤指出机器接近失速时改变轴的偏移。

从第二优点看，本发明的一个目的是要提供一种用于调谐旋转机器以预防失速的方法，该方法包括步骤：在机器中诱发失速，以确定该机器的失速特性；记录至少导致失速条件的失速特性；对照记录的失速特性监测该机器，并在下一个失速开始前改正机器参数。

从第三优点看，本发明的一个目的是要提供一种失速预防装置，该装置包括以下部分的组合：一个具有一个轴的旋转机器；操作地耦合于旋转机器的监测装置；一个操作地耦合于机器用于改变机器参数的装置，和插在监测装置和改变机器参数的装置之间以便在接收到预失速条件指示时启动改变机器参数装置的处理装置。

从第四优点看，本发明的一个目的是要提供一种用于在旋转机器中诊断和控制旋转失速的装置，该装置包括以下部分的组合：用于感测有关轴进动的原始动态机器振动信号的装置；用于将信号与机器失速条件范例比较的装置；用于在比较步骤指出机器接近失速条件时改变轴进动的装置。

从第五优点看，本发明的一个目的是要提供一种在一个具有一定流体通量的轴承支撑旋转机器中防止失速的诊断和改正方法，该方法包括步骤：监测机器绕其旋转的轴的偏移；计算机器的直接动态劲度分量；作为直接动态劲度分量中的落差的函数，改变轴的偏移。

在结合附图考虑下面的详细说明时，可以使这些和其它目的更为清楚。

附图说明

图1是根据本发明的一种防止失速的方法的总体方框图；

图2是根据本发明的一种防止失稳效应的方法的总体方框图；

图3是根据本发明的一种防止失速的方法的总体方框图；

图4是根据本发明的一种通过观察压力图防止失速的方法的总体方框图；

图5是根据本发明的一种防止喘振的方法的总体方框图；

图6是一种为后续使用建立机器稳定性余量的方法的总体方框图；

图7是根据本发明的一种装置的示意图；

图8是由一对正交涡流位移传感器感测的振动信号的轨道表示，和由一机械相位传感器感测的机械相位参考标志；

图9是直接动态和正交动态劲度分量的动态劲度曲线图的图形表示。

执行本发明的最佳模式

参考附图，其中在各附图中所有的相同参考号代表相同的部件，参考号10代表根据本发明的装置和方法。

参考附图，在本质上本发明提供了一种用于通过测量机器的动态劲度并计算直接动态劲度和／或正交动态劲度以用作不稳定性警告装置和用作诊断和纠正转子动态失稳效应的诊断和纠正旋转机器中失稳效应的方法和装置。对于有关诊断的异常采取纠正动作，这些动作特别可以是以下形式：提高轴承的劲度，增大通过机器M的流量，降低排放压力和／或施加引起与测量的机器振动相反的响应的力。

本发明优选包括一个监测机器振动以获得称为旋转失速和喘振的操作异常情况，并预测、控制和抑制这种失速和喘振异常发生的主动控制系统20。主动控制系统最好包括多个液压伺服轴承40，液压伺服轴承40引导流体通过每个液压轴承的入口，从而使流体压力“F”能够施加到机器M的转子轴S。可以在机器M的内侧和外侧成对使用伺服轴承40。此外，可以在邻近机器M的止推轴承位置安装一个组合的径向止推伺服轴承50，用于在径向和轴向和引导流体，分别抑制旋转失速和喘振。在1996年12月4日申请的序列号为08／759415，名称为“支撑旋转装置的流体静力轴承，与之相关的流体操作系统，其控制系统，方法和装置”的美国专利申请中可以发现优选的液压伺服轴承40，50的示例说明，其整体内容结合于此作为参考。

控制系统20提供操纵伺服轴承的控制信号，以便控制通过通向转子轴S与固定液压轴承之间公隙的入口，和通过至少一个通向机器的止推环的入口的流体流量，以在其上相互作用。流体在主动控制和抑制旋转失速和喘振的同时，抑制机器的径向和轴向振动。

此外，本发明提供了一种用于通过监测动态横向轴进动，和将这种进动与一种标准或范例比较，并在比较步骤指出机器接近失速条件时改变该进动，而诊断和纠正旋转机器中气动力的失稳效应的方法和装置。优选控制系统20包括一个轴向监测装置26，用于监测轴向振动，然后将动态轴向振动与一种标准或范例比较，并且在比较步骤指出机器接近失速或喘振条件时改变轴向振动。也可以把本发明用于设计具有大失速余量机器所用的样机。

参考图1，2和7，将一对，或模式识别所需数量的正交涡流位移传感器22，24操作地耦合于机器M，测量横向轴进动。传感器的输出是振动或机器M的轴的振动的变化速率的连续电信号。传感器也耦合于一个处理器／控制器20，以便收集、存储和简化有关横向轴进动的振动数据。

除了正交传感器之外，最好把一个机械相位传感器28操作地耦合于机器M，用于感测有关，例如，机器M的旋转轴的机械相位参考标志。最好把这个相位传感器用于确定机器的速度(RPM)，和用于使旋转轴的机械角度与正交传感器22，24的电信号相关联，或与所有必要的传感器相关联。

因此，可以通过机械相位传感器28监测机器的速度，并且可以利用该对正交涡流位移传感器22，24监测包括振动频率在内的机器振动。此外，可以把一个力传感器29操作地耦合到处理器／控制器30，并安装在机器的至少一个轴承40的外壳上，用于测量扰动力。然后，可以确定扰动力的幅度和相位，以提供足够的信息来计算机器的复动态劲度，复动态劲度包括直接动态劲度(DDS)和正交动态劲度(QDS)。作为选择，扰动力的幅度和相位可以经过实验数据预先确定。对于一特定操作速度的复动态劲度是用扰动力矢量(F_Perturbation)除以响应矢量(R_Response)确定的。例如，

$\frac{F_{\mathrm{Perturbation}}}{R_{\mathrm{Response}}}=K_{\mathrm{Direct}}+j{K}_{\mathrm{Quadrature}}$

和

K_Q=j(ω-λΩ)D

其中

ω=转子进动速度；

λ=由于流体被轴拖动旋转而造成的流体圆周平均速率；

Ω=转子速度；

D=阻尼系数；

和

K_D=K_T-ω²m

其中

K_T=系统的总弹性劲度(操作条件下的机械劲度加空气动力劲度)；

ω=转子进动速度；

m=系统质量。

更具体地讲，直接动态劲度(DDS)是直线作用于输入力矢量的动态劲度的分量，正交动态劲度(QDS)是垂直作用于输入力矢量的动态劲度的分量。因此，直接动态劲度和正交动态劲度分量可以通过处理装置30计算。通过监测直接动态劲度和正交动态劲度的同时零转换可以把计算的分量用作转子动态不稳定性警告装置(请见图2)。因此，可以监测直接动态劲度和正交动态动态劲度的零值获得零重合临界点，即，相互重叠的零，并且如果达到了临界点，那么可以采取纠正动作。此外，参考图1，在与，例如，一种标准的比较中可以把直接动态劲度分量的落差指定用作失速警告装置。

最好也把至少一个涡流位移传感器26操作地耦合到机器M，测量轴向振动。把轴向振动监测装置操作地耦合到用于收集、存储和简化与轴向轴振动相关的轴向轴振动数据的处理装置或数据捕获和简化系统30。

参考图7和8，可以处理从正交涡流位移传感器22，24对的输出，以获得轨道数据曲线图。轨道曲线图将轴中心线的路径表示为一个正交传感器的AC电压(振动信号)图。轨道曲线图提供了有关振动幅度，径向预负载方向，轴进动方向，和绝对及相对相位角的信息。进动是相对于进动方向的振动的运动，进动方向是通过标注振动的最高峰值首先通过的那个传感器，X或Y，从一个时基曲线图确定的。如果，在其法线方向，轴上任意一点将首先通过该相同的传感器，那么进动是向前的。如果不是，那么进动是反向的。因此，可以把监测的机器速度和包括进动频率的机器振动与预定的机器标准比较。然后，在比较步骤指出机器接近失速时，可以改变轴进动(请见图3)。

参考附图，在使用和操作中，本发明提供了一种可以利用活动轴承或伺服轴承40抑制压缩机中旋转失速造成的振动，并且能够从用于控制活动轴承的控制系统信号提取有关转子系统振动状态的信息的旋转失速抑制和控制系统20。这可以包括对不平衡和包括旋转失速造成的振动在内的任何其它可能发生的非同步振动的1X响应。

活动控制轴承将执行旋转失速造成的转子振动的即时抑制。与此同时，处理器／控制器模块30可以分析控制信号。这个模块将利用，例如，一个低通或带通跟踪滤波器观察准同步控制信号。可以将这个模块的输出用于执行多种任务。例如，可以把一个信号发送到喘振控制阀启动器34，启动器34打开喘振控制阀35，因而在使压缩机操作点离开失速点时增大压缩机流量。与此同时，可以向操作人员发送一个信号警报32，用声音提醒机器操作人员压缩机中发生了准同步振动。这种类型的系统优于现有旋转失速控制系统之处在于，一旦检测到失速，可以立即抑制由于失速造成的横向振动，从而预防了转子损坏。然后，喘振控制阀34的启动将消除旋转失速。

此外，可以利用一个喘振阀位置优化器36主动地控制喘振阀的位置，使压缩机操作刚好保持在旋转失速点之前。这可以用一个比活动轴承速度相对低速的控制器进行。

动态压力传感器可以用来提供有关振动原因的额外信息。因此，可以用压力传感器确认旋转失速已经发生，然后控制系统可以采取行动，或在必要时发出通知。因此，可以用来自振动控制系统的信号控制旋转失速，和提供即时振动抑制，以防止转子和／或密封系统损坏。

参考图1，7和9，处理器／控制器30可以经过感测参考标志27的相位传感器28和传感器22，24分别监测RPM和机器振动。可以把这种信息与实验或经过力传感器29确定的扰动力一起用于确定直接动态劲度分量K_D。然后，可以监测直接动态劲度，以获得有关失速的落差，和／或与一种标准比较。接着，可以采取纠正动作，特别是通过提高轴承劲度，增加通过机器M的流量，减小排放压力，和／或经过伺服轴承40和／或反抗机器振动的组合轴承50向旋转轴施加流体力。

参考图2，7和9，可以如上述那样用处理器／控制器30计算K_direct(K_D)和K_quadrature(K_Q)分量。可以监测这两个分量，并且在分量达到零重合的临界点时，通过，特别是，经过轴承提高K_direct采取纠正行动。

参考图3，处理器／控制器30可以用于经过相位传感器28和传感器22，24分别监测RPM和包括频率的机器振动。机器速度(RPM)和振动频率可以与一个预定的标准比较，以确定机器是否进入失速，然后，作为比较的函数采取纠正动作。纠正动作可以采取，例如，降低RPM，经过伺服轴承40，50施加与测量力的相位相差180度的力的形式。

参考图4，可以用处理器／控制器30观察来自机器速度和包括频率的振动的处理的压力图形。然后，可以把这些压力图形与一种标准比较，并根据比较步骤，采取纠正行动，例如，增大通过机器的流量。

作为选择，参考图5，处理器／控制器30可以经过压力传感器52和54监测机器的吸入和排放压力。可以把吸入排放比(吸入／排放)与一种标准比较，并且如果该比率接近有关一种不稳定条件，例如喘振，的值，那么可以采取纠正动作，例如降低排放压力。

参考图6，可以通过监测达到并把机器带入旋转失速和／或喘振条件的机器速度，包括频率的振动，吸入压力，排放压力和施加到机器的扰动力确定范例或标准。然后，可以把这个数据存储在处理器／控制器30的存储器中，并在以后的使用中用作一种标准。

此外，尽管如此说明了本发明，但是应当知道可以采用许多结构改进和改造，而不脱离上面提出的和以下权利要求说明的本发明的范围和完整意义。

Claims (31)

1．一种在一个具有一定流体通量的轴承支撑的旋转机器中防止失速的诊断和纠正方法，该方法包括步骤：

监测一个机器绕其旋转的轴的偏移；

把偏移与一种标准比较，和

在比较步骤指出机器接近失速时改变轴的偏移。

2．根据权利要求1所述的方法，进一步包括监测轴的旋转速度的步骤。

3．根据权利要求2所述的方法，其中监测轴偏移的步骤包括监测包括其频率的机器振动。

4．根据权利要求3所述的方法，其中比较步骤进一步包括计算机器的直接动态劲度分量的步骤。

5．根据权利要求4所述的方法，其中改变步骤进一步包括作为所述直接动态劲度分量中落差的函数改变轴的偏移的步骤。

6．根据权利要求4所述的方法，其中比较步骤进一步包括计算机器的正交动态劲度分量的步骤。

7．根据权利要求6所述的方法，其中改变步骤进一步包括作为直接和正交动态劲度分量的零交叉点的重合的函数改变轴的偏移的步骤。

8．根据权利要求1所述的方法，其中改变步骤进一步包括在控制信号的指导下从至少一个阀把流体力引导到机器的旋转轴的步骤。

9．根据权利要求1所述的方法，其中监测轴偏移的步骤包括监测轴的横向进动。

10．根据权利要求9所述的方法，进一步包括把横向轴进动转换成电信号的步骤。

11．根据权利要求10所述的方法，进一步包括处理所述电信号以标识有关旋转机器中失稳条件的振动标记频率的步骤。

12．根据权利要求11所述的方法，其中改变步骤进一步包括在控制信号的指导下从至少一个阀将流体力引导到机器旋转轴的步骤。

13．根据权利要求12所述的方法，其中旋转机器是一个压缩机。

14．一种用于调谐旋转机器以预防失速的方法，该方法包括步骤：

将失速引入机器以确定机器的失速特征；

记录至少导致失速条件的失速特征；

相对于记录失速特征监测机器，和

在一个后续失速开始前纠正机器参数。

15．根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过对多个不同速度的输入扰动力的频率的前向转子响应分量滤波，计算非同步动态劲度的步骤。

16．根据权利要求15所述的方法，进一步包括通过获得扰动力与多个旋转速度的滤波前向转子响应分量比率，确定非同步动态劲度的步骤。

17．根据权利要求16所述的方法，进一步包括从非同步动态劲度确定直接动态劲度分量的步骤。

18．根据权利要求16所述的方法，进一步包括从非同步动态劲度确定正交动态劲度分量的步骤。

19．根据权利要求17所述的方法，进一步包括把直接动态劲度分量用作警告参数的步骤。

20．根据权利要求18所述的方法，进一步包括把直接动态劲度和正交动态劲度分量都用作不稳定性警告参数的步骤。

21．根据权利要求16所述的方法，进一步包括确定压缩机运行状态与停止状态的非同步动态劲度之间的差，代表用作不稳定性警告参数的空气动力地引起的动态劲度的步骤。

22．一种失速预防装置，包括以下部分的组合：

一个包括一个轴承的旋转机器；

操作地耦合到所述旋转机器的监测装置；

操作地耦合到机器用于改变机器参数的装置，和

插入在所述监测装置和所述改变所述机器参数的装置之间，使所述装置能够在遇到预失速条件指示时改变所述机器参数的处理装置。

23．根据权利要求22所述的装置，其中所述监测装置包括用于监测横向轴进动的装置。

24．根据权利要求23所述的装置，其中所述横向轴进动监测装置包括一对操作地耦合到机器以测量所述横向轴进动的正交涡流位移传感器。

25．根据权利要求24所述的装置，其中所述处理装置包括一个操作地耦合到所述正交涡流位移传感器对，用于收集、存储和简化有关横向轴进动的振动数据的数据捕获和简化系统。

26．根据权利要求25所述的装置，其中所述监测装置进一步包括用于监测轴向轴振动的装置。

27．根据权利要求26所述的装置，其中所述轴向振动监测装置包括至少一个操作地耦合到机器以测量所述轴向轴振动的涡流位移传感器。

28．根据权利要求27所述的装置，其中所述轴向振动监测装置操作地耦合到所述用于收集、存储和简化有关轴向轴振动的轴向轴振动数据的数据捕获和简化系统。

29．一种用于诊断和控制旋转机器中旋转失速的装置，所述装置包括以下部分的组合：

用于感测有关轴进动的原始动态机器振动信号的装置；

用于把所述信号与一个机器失速条件的范例比较的装置；

用于在比较步骤指示机器接近失速条件时改变轴进动的装置。

30．一种在一个具有一定流体通量的轴承支撑的旋转机器中防止失速的诊断和纠正方法，该方法包括步骤：

监测一个机器绕其旋转的轴的偏移；

计算机器的直接动态劲度分量；

作为所述直接动态劲度分量中落差的函数改变轴偏移。

31．根据权利要求30所述的方法，其中改变步骤进一步包括在控制信号的指导下把流体力从至少一个阀引导到机器的旋转轴，以改变轴的偏移，从而预防了机器的失速条件的步骤。

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