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旋轉(zhuǎn)失速與喘振是高速離心壓縮機(jī)的一種振動(dòng)故障。這種故障是由于流體流動(dòng)分離造成的，設(shè)備本身一般沒(méi)有明顯的結(jié)構(gòu)缺陷，因而不需要停工檢修，通過(guò)調(diào)節(jié)流量即可使振動(dòng)減至允許值。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)脫離進(jìn)一步發(fā)展為喘振時(shí)，不僅會(huì)引起機(jī)組效率下降，而且還會(huì)對(duì)機(jī)器造成嚴(yán)重危害。喘振會(huì)導(dǎo)致機(jī)器內(nèi)部密封件、軸承等損壞，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲、聯(lián)軸器損壞。喘振是離心壓縮機(jī)等流體機(jī)械運(yùn)行、最危險(xiǎn)的工況之一，對(duì)機(jī)器危害很大。對(duì)這種危害性極大但又不需要停機(jī)即可處理的故障，最能顯示出狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作的作用與效益。
一、旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)理與特征 1 旋轉(zhuǎn)失速 旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)理首先由H.W.Emmons 在1995年提出。旋轉(zhuǎn)失速的形成過(guò)程大致如下。離心壓縮機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)、尺寸都是按額定流量設(shè)計(jì)的，當(dāng)壓縮機(jī)在正常流量下工作時(shí)，氣體進(jìn)入葉輪的方向β1 與葉片進(jìn)口安裝角βS 一致，氣體可以平穩(wěn)地進(jìn)人葉輪，如圖1(a)所示，此時(shí)，氣流相對(duì)速度為ω1，入口徑向流速為C1。當(dāng)進(jìn)入葉輪的氣體流量小于額定流量時(shí)，氣體進(jìn)入葉輪的徑向速度減少為C1′ 氣體進(jìn)入葉輪的相對(duì)速度的方向角相應(yīng)的減少到β1′，因而與葉片進(jìn)口安裝角βS 不相一致。此時(shí)氣體將沖擊葉片的工作面（凸面），在葉片的凹面附近形成氣流旋渦，旋渦逐漸增多使流道有效流通面積減小。 由于制造、安裝維護(hù)或運(yùn)行工況等方面的原因，進(jìn)入壓縮機(jī)的氣流在各個(gè)流道中的分配并不均勻，氣流旋渦的多少也有差別。如果某道中（圖1(b) 中的流道2）氣流旋渦較多，則通過(guò)這個(gè)流道的氣量就要減少，多余的氣量將轉(zhuǎn)向鄰近流道（流道1和3）。在折向前面的流道（流道1）時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)入的氣體沖在葉片的凹面上，原來(lái)凹面上的氣流旋渦有一部分被沖掉，這個(gè)流道里的氣流會(huì)趨于暢通。而折向后面流道（流道3）的氣流則沖在葉片的凸面上，使得葉片凹面處的氣流產(chǎn)生更多的旋渦，堵塞了流道的有效流通面積，迫使流道中的氣流又折向鄰近的流道。如此輪番發(fā)展，由旋渦組成的氣流堵塞團(tuán)（稱為失速團(tuán)或失速區(qū)）將沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的相反方向輪流在各個(gè)流道內(nèi)出現(xiàn)。因?yàn)槭賲^(qū)在反方向傳播速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，所以，從葉輪之外的參考系來(lái)看，失速區(qū)還是沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)理。盡管實(shí)際氣流情況比較復(fù)雜，但H.W.Emmons 提出的旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理還是為后人的研究工作提供了依據(jù)。
2 旋轉(zhuǎn)失速頻率 旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度或失速頻率是大家比較關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)樗谠\斷壓縮機(jī)的振動(dòng)是否是由旋轉(zhuǎn)失速所引起的具有重要意義。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)除了進(jìn)行大量的理論研究外，還在試驗(yàn)室進(jìn)行了大量的實(shí)際測(cè)試。B.F.J.Cossar 等人在軸流壓縮機(jī)上做了大量測(cè)試，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)是先在葉片的尾部出現(xiàn)，然后向前移動(dòng)，大約相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)20°才到達(dá)葉片的前緣。
事實(shí)上，失速區(qū)的形成是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的流體動(dòng)力過(guò)程。失速頻率還與葉片進(jìn)口氣流是否存在畸變、入口氣流方向角β1 與葉片入口安裝角βS 之間的差值（稱為沖角）大小，以及壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)等因素有密切關(guān)系。B.F.J.Cossar 在試驗(yàn)中利用在壓縮機(jī)進(jìn)口處安裝低孔率金屬絲網(wǎng)的方法，測(cè)得失速頻率為轉(zhuǎn)速頻率的1/2，與理論研究計(jì)算的失速頻率為轉(zhuǎn)速頻率的1/3有一定差異。
N.A.Cumpsty 的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭赋觯D(zhuǎn)失速頻率在轉(zhuǎn)速頻率的1/5～1/2的范圍內(nèi)，隨壓縮機(jī)級(jí)數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度逐漸接近于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的40％。
日本振動(dòng)專家白木萬(wàn)博介紹，根據(jù)機(jī)器種類不同，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)傳播速度為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的0.2～0.5。意大利NUOVO PIGNOVE 公司的壓縮機(jī)組在我國(guó)石化行業(yè)應(yīng)用較多，該公司對(duì)于按他們圖紙制造的在大化肥尿素裝置使用CO2 壓縮機(jī)，提出旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的傳播速度可以按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
式中，Q0p 為發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)的實(shí)際流量，Q0 為壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況流量，u 為轉(zhuǎn)子的周向速度。
據(jù)此公式計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)失速區(qū)傳播速度約為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的0.3～0.45。另外，輪轂比（即葉輪流道的內(nèi)徑與外徑之比）對(duì)失速區(qū)的傳播速度有很大影響。大輪轂比葉輪會(huì)出現(xiàn)整個(gè)半徑方向失速，即失速區(qū)從葉片根部到葉片頂部的整個(gè)范圍內(nèi)都出現(xiàn)，稱為全半徑失速（圖2(a)）；小輪轂比葉輪一般只在半徑方向上的部分失速，即失速區(qū)只占據(jù)流道長(zhǎng)度的一部分（圖2(b)）。就失速狀態(tài)來(lái)說(shuō)，全半徑失速比部分半徑失速要嚴(yán)重，即葉柵內(nèi)的流體會(huì)引起較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)。
3 旋轉(zhuǎn)失速的振動(dòng)機(jī)理 旋轉(zhuǎn)失速在葉輪內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是激勵(lì)轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動(dòng)的激勵(lì)力，激勵(lì)力的大小與氣體的分子量有關(guān)，如果氣體的分子量較大，激勵(lì)力也較大，對(duì)機(jī)器的運(yùn)行影響也就比較大。
從固定于葉輪上的相對(duì)坐標(biāo)系來(lái)看，旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)以角頻率ωs 在機(jī)器流道間傳播，由于壓力波動(dòng)激勵(lì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率為ωs，其振動(dòng)頻率小于轉(zhuǎn)子的角頻率ω。而從葉輪之外的坐標(biāo)系來(lái)看，旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)是以 (ω～ωs) 的頻率旋轉(zhuǎn)的，其方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同。因此，流體機(jī)械發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)同時(shí)有ωs 和 (ω～ωs) 兩個(gè)次諧波特征頻率。
機(jī)組發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，可能是在某一級(jí)葉輪上有一個(gè)氣體脫離團(tuán)，也可能是在某級(jí)葉輪上存在幾個(gè)脫離團(tuán)；脫離團(tuán)可能在某一級(jí)葉輪上發(fā)生，也可能同時(shí)在幾級(jí)葉輪上同時(shí)發(fā)生。一般機(jī)器發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時(shí)常有兩個(gè)或兩個(gè)以上氣體脫離團(tuán)。實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)器發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的角頻率ωs 參考上式，可按下式計(jì)算：
式中，ω 為轉(zhuǎn)子角頻率，N 為氣體脫離團(tuán)數(shù)量，Q0p 為實(shí)際工作流量，Q0 為設(shè)計(jì)流量。
流體機(jī)械的旋轉(zhuǎn)失速故障一般來(lái)說(shuō)總是存在的，但它并不一定能激勵(lì)轉(zhuǎn)子使機(jī)組發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，只有當(dāng)旋轉(zhuǎn)失速的頻率與機(jī)組的某一固有頻率耦合時(shí)，機(jī)器才有可能發(fā)生共振，出現(xiàn)危險(xiǎn)振動(dòng)。
二、喘振的機(jī)理與故障特征 1 喘振 喘振是離心式和軸流式壓縮機(jī)運(yùn)行中的常見(jiàn)故障之一，是旋轉(zhuǎn)失速的進(jìn)一步發(fā)展。
如圖3所示，離心式壓縮機(jī)具有這樣的特性，對(duì)于一個(gè)確定的轉(zhuǎn)速，總對(duì)應(yīng)一個(gè)流量值，壓縮機(jī)效率達(dá)到點(diǎn)。當(dāng)流量大于或小于此值時(shí)，效率都將下降。一般常以此流量的工況點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。
壓縮機(jī)的性能曲線左邊受到喘振工況 (Qmin) 的限制，右邊受到堵塞工況 (Qmax) 的限制，在這二者之間的區(qū)域，稱為壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)域。穩(wěn)定工況區(qū)域的大小，是衡量壓縮機(jī)性能的重要指標(biāo)。
當(dāng)壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，若因外部原因使流量不斷減小達(dá)到Qmin 值時(shí)，就會(huì)在壓縮機(jī)流道中出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，若氣量進(jìn)一步減小時(shí)，壓縮機(jī)葉輪的整個(gè)流道被氣流旋渦區(qū)所占據(jù)，這時(shí)壓縮機(jī)的出口壓力將突然下降。但是，壓縮機(jī)出口所連接的較大容量的管網(wǎng)系統(tǒng)中壓力并不馬上下降，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)管網(wǎng)中氣體向壓縮機(jī)倒流的現(xiàn)象。當(dāng)管網(wǎng)中壓力下降到低于壓縮機(jī)出口排氣壓力時(shí)，氣體倒流會(huì)停止，壓縮機(jī)又恢復(fù)向管網(wǎng)排氣。然而，因?yàn)檫M(jìn)氣量的不足，壓縮機(jī)在出口管網(wǎng)恢復(fù)到原來(lái)的壓力以后，又會(huì)在流道內(nèi)出現(xiàn)旋渦區(qū)。如此周而復(fù)始，機(jī)組和管道內(nèi)的流量會(huì)發(fā)生周期性變化，機(jī)器進(jìn)出口壓力會(huì)大幅度脈動(dòng)。由于氣體在壓縮機(jī)進(jìn)出口處吞吐倒流，會(huì)伴隨有巨大周期性的氣流吼聲和劇烈的機(jī)器振動(dòng)，這些波動(dòng)在儀表操作盤的壓力、流量、振動(dòng)信號(hào)顯示等記錄中可以清楚地反映出來(lái)，在操作現(xiàn)場(chǎng)也可以立即覺(jué)察得到。
由喘振引起的機(jī)器振動(dòng)頻率、振幅與管網(wǎng)容積大小密切相關(guān)，管網(wǎng)容積越大，喘振頻率越低，振幅越大。一些機(jī)器的排氣管網(wǎng)容量非常大，此時(shí)喘振頻率甚至小于1Hz。
2 喘振的故障特征 壓縮機(jī)發(fā)生喘振的主要特征如下：
壓縮機(jī)接近或進(jìn)入喘振工況時(shí)，缸體和軸承都會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，其振幅要比正常運(yùn)行時(shí)大大增加，喘振頻率一般都比較低，通常為1～30Hz。
壓縮機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行時(shí)，其出口壓力和進(jìn)口流量變化不大，所測(cè)得的數(shù)據(jù)在平均值附近波動(dòng)，幅度很小。當(dāng)接近或進(jìn)入喘振工況時(shí)，出口壓力和進(jìn)口流量的變化都很大，會(huì)發(fā)生周期性大幅度的脈動(dòng)，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)氣體從壓縮機(jī)進(jìn)口倒流的現(xiàn)象。
壓縮機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其噪聲較小且是連續(xù)性的。當(dāng)接近喘振工況時(shí)，由于整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生氣流周期性的振蕩，因而在氣流管道中，氣流發(fā)出的噪聲也時(shí)高時(shí)低，產(chǎn)生周期性變化。當(dāng)進(jìn)入喘振工況時(shí)，噪聲增劇，甚至有爆聲出現(xiàn)。
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