離心壓縮機轉子與密封碰磨的故障診斷及特征研究

鐘 鈺 吳 菘 哈玉梅

（沈陽鼓風機集團安裝檢修配件有限公司，遼寧 沈陽110000）

1 振動特征及故障原因分析

為了尋找離心壓縮機轉子的故障原因，需要對該機組進行振動頻譜分析，利用該機組所安裝的轉子振動位移測量渦流傳感器采集振動信號[2]，將頻譜分析儀接入本特利3500 的緩存輸出口，采集原始電壓信號，對原始電壓信號的波形進行傅立葉變換，對構成的波形頻譜圖進行分析，判斷故障原因。

1.1 振動特征

對啟動過程以及運行過程中的軸振進行分析，得到下列特征：

第一，達到工作轉速之后的轉子振動特征：在轉子轉速達到工作轉速之后的十三分鐘，振動的頻譜見圖1，振動的成分只包括工頻。而在軸振爬升發生七分鐘之后，振動成分依然只包括工頻。

圖1 達到工作轉速后軸振的頻譜圖

第二，軸振趨勢特征：電機的啟動速度較快，因此轉子轉速達到工作轉速的時間也較少[3]。觀察圖2，能夠發現在加速的過程中，轉子在經過臨界轉速的時候，軸振較為明顯，但是在短時間內又恢復至正常值。在轉子轉速達到工作轉速的十三分鐘之后，軸振處于正常狀態；接著軸振爬升，爬升六分鐘之后，離心壓縮機驅動端的軸振大于100μm，最終機組振動達到連鎖停機值，機組停車。

圖2 轉子出氣口軸振趨勢圖

第三，加速過程的振動特征：轉子轉速在達到臨界轉速之前軸振的時域及頻譜見圖3，在轉子轉速經過臨界轉速之前，主要的振動成為工頻，占通頻的百分之九十五左右，存在少部分的二倍頻。觀察軸振的視域，發現其存在輕微的削波狀況。當轉子轉速即將到達臨界轉速的時候，轉子振動顯著增大，工頻是主要的振動成分，振動為簡單的諧波[4]。在轉子轉速過臨界轉速之后，轉子振動明顯減小，工頻是主要的振動成分，存在較為明顯的二倍頻，此時軸振波峰出現明顯波動。

圖3 機組啟動時軸振時域及頻譜圖

1.2 故障原因初步分析

在轉子達到工作轉速之后，工頻為主要的振動成分，說明振動極有可能是質量平衡性不足而導致的，經初步分析，造成質量平衡性不足的原因包括:第一，運行時轉子出現熱彎曲[5]；第二，原始質量平衡性不足；第三，原始軸彎曲。觀察振動的趨勢，發現轉子在一開始的時候并無太大振動，說明原始軸彎曲以及原始質量平衡性不足不是軸振的原因，通過對機組進行檢查，也并未發現軸彎曲，工作人員也采取了低速動平衡措施，但是振動故障仍存在，表示原始軸彎曲以及原始質量平衡性不足并非振動爬升的原因。為了確定軸振與工況的關系，在制定測試方案的時候，選擇將進氣閥關閉[6]，測試結果顯示，在啟動過程中以及試運轉過程中，工況無變化，所以將工況原因排除。最終認為轉子和密封摩擦所造成的熱彎曲與軸振有密切關系，因為熱彎曲只是一個短期過程，因此在機組停機之后，轉子又會恢復至正常狀態。

1.3 轉子密封碰磨故障的認定

在產生動靜摩擦的過程中，圓周各個點上所進行的摩擦程度也各有差異，摩擦情況較輕的一端的溫度會比摩擦情況為嚴重的一端更低，從而造成轉子徑向截面之上分布的溫度不夠均勻，繼而導致轉子出現熱彎曲。接著熱彎曲會引發一個不平衡力，在此不平衡力作用到轉子上的時候，就會和原始存在的不平衡共同引發轉子的振動，這即是轉子碰磨熱彎曲效應。在轉子的工作轉速比臨界轉速更小的時候，轉子的振動對于出現的摩擦現象極為敏感，這時候，因為轉子的工作轉速比臨界轉速更小，且振動的滯后角＜90°，振動越高的點就是摩擦越嚴重的點，致使該處的溫度比對側更高，在熱彎曲的作用下，出現了一個熱不平衡量，原始的機械不平衡和此熱不平衡之間的夾角＜90°，在此熱不平衡和原始不平衡合成一個新的不平衡，此新不平衡比原始不平衡更大，從而加劇動靜摩擦，隨著轉子摩擦愈來愈嚴重，所產生的熱彎曲也隨之愈來愈大，最終形成惡性循環。在轉子的工作轉速超過臨界轉速的時候，振動滯后角將會＞90°，此時，在振動的高點，依然會出現一個熱不平衡量，在這個時候，原始機械不平衡與熱不平衡之間存在的夾角＞90°，所以，熱不平衡和原始不平衡合成一個新的不平衡，此新不平衡比原不平衡小，從而造成振動幅度愈來愈小的情況，而不是摩擦愈嚴重振動愈嚴重。在轉子的工作轉速達到每分鐘5400轉之后，第一階的臨界轉速大約為每分鐘2300 轉，第二階的臨界轉速大約為每分鐘8700 轉，該轉子的工作轉速比第二階臨界轉速更低，但是比第一階臨界轉速更高。觀察該離心壓縮機的轉子與密封，發現在第二階不平衡區段比較容易出現密封碰磨。因此，認為摩擦能夠激發第二階的不平衡分量，在轉子達到工作轉速時，第二階的不平衡和其所造成的振動之間存在的滯后角＜90°，從而導致隨著轉子摩擦程度愈加嚴重，熱彎曲也會隨之增大，從而造成轉子的振動出現持續性的增加，直接導致轉子的振動達到停機標準值，最終造成機組停機。

2 故障驗證及其處理措施

2.1 故障原因的實驗驗證

通過分析在試運轉時軸振的頻譜以及時域，按照相關轉子碰磨理論以及現場調研結果，判斷轉子與密封的碰磨是導致轉子出現振動故障的主要因素。為了對此結論進行驗證，將各級輪蓋密封、1、2 級密封級間密封、3、4 級級間密封以及段間密封去掉，開展試運行。試運行時間為100 分鐘，在試運行結束后，觀察機組在無密封試運行時的軸振趨勢，發現在出氣方軸承周圍的軸振均＜25 微米；觀察在加速時的軸振頻譜，發現工頻是主要的振動成分，且存在較為明顯的三倍頻以及二倍頻。在轉子轉速達到工作轉速之后的軸振頻譜中，工頻是主要的振動成分。在試運行期間，轉子無振動爬升現象。由此確定了轉子與密封的碰磨是導致轉子出現故障的主要因素，在熱效應的作用下，激發了第二階的不平衡分量，從而造成熱彎曲振動。出現碰磨是因為在不平衡的作用之下，此離心壓縮機的轉子會出現一定程度的動撓度，最終導致轉子與密封出現摩擦，從而引發熱不平衡以及轉子熱彎曲失去穩定性。

2.2 第一種故障處理措施

因為不能改變轉子，因此選擇調整轉子的徑向間隙，一級以及三級葉輪和輪蓋密封之間的原始動靜間隙為0.25 毫米至0.35 毫米，將其調整為0.35 毫米至0.50 毫米；二級以及四級葉輪和輪蓋密封之間的原始動靜間隙為0.25 毫米至0.35 毫米，將其調整為0.4 毫米至0.55 毫米。而一級、二級的級間密封、三級、四級的級間密封以及段間密封的動靜密封間隙調整至0.25 毫米至0.32 毫米。在修復密封之后，觀察機組在試運行時的軸振趨勢，發現在出氣口軸承周圍的軸承＜20 微米，觀察加速時的軸承頻譜，發現工頻為主要的振動成分，且存在較為明顯的二倍頻。在轉子轉速達到工作轉速之后，觀察軸振頻譜，發現工頻是主要的振動成分。在試運行之后，轉子無振動爬升現象，表示振動故障判斷正確，且處理效果較為良好。

2.3 第二種故障處理措施

為了對故障原因判斷哪的正確性進行驗證，將機組低壓缸解體，開展檢查工作，發現密封和轉子之間存在較為較為明顯的摩擦，密封的牙尖位置出現密封碎屑，且磨損程度較為嚴重，在密封和轉子的接觸部位，出現摩擦所致的“亮條”。將密封更換，測量轉子和密封之間的間隙，同時對間隙數值進行調整，使其符合設計標準就要求。在將機組重組完畢之后，再次開車，此時低壓缸的1V1X 振動值為22μ,1V2Y 振動值為22μ,1Y3X 振動值為14μ，1V4Y 為15μ，壓力升高至滿負荷，四個點的振動值沒有出現顯著變化，觀察圖4 可發現，1V4Y 點振動的主要是工頻，且振動數值較為穩定，無低次諧波。

圖4 機組滿負荷運行狀態下的頻譜圖

3 結論

測試某工廠的離心壓縮機轉子振動故障，通過分析在不同時刻以及不同轉速下的振動頻譜特征、時域特征以及啟動時以及在工作轉速之下的軸振變化趨勢，發現轉子與密封之間的碰磨是導致轉子故障的主要因素。把轉子退出隔板密封之后，運行無異常，且效果較為靈活，說明轉子故障原因判斷正確，因此積極對密封間隙進行了調整，有效消除轉子的振動故障，機組的整體運行效果良好且無異常。