3、透平式压缩机.ppt

透平式压缩机 透平式压缩机 离心式压缩机轴流式压缩机透平式压缩机的性能曲线喘振及其防治透平式压缩机转子的动平衡 离心式压缩机 离心式压缩机的级 叶轮扩压器 有叶 无叶 弯道回流器涡壳 单级 出口级 离心压缩机叶轮 一种轴向力平衡较好的结构 轴流压缩机广泛用于燃气轮机装置 还用于高炉鼓风 空气分离 天然气液化和重油催化等的大型装置 轴流式压缩机 轴流压缩机结构 轴流压缩机的进气管 收敛器 进口导流器 级组 出口导流器 扩压器和排气管等元件合称为通流部分 导流器固定在机壳内 组成定子 动叶均匀地安置在轮盘或转轴上组成转子 转子两端有密封 整个转子支承在两端的径向轴承上 其中一端装推力轴承 以承受由于压缩气体作用在转子上的轴向推力 气体由进气管均匀地引至收敛器和进口导流器 以一定的速度进入第一级 气体在级中受到叶片的动力作用 因获得能量而提高压力 气体沿各级依次压缩 逐步提高压力 经出口导流器 扩压器和排气管送出 轴流式压缩机的级 动叶和静叶 转子上的动叶与它后面的静叶导流器组成级 压缩机通常由若干个级构成级组 典型的机械密封 迷宫密封 将泄漏气体引入到吸气管 多段迷宫密封 干气密封中的一个密封环上面具有均匀分布的浅槽 运转时进入浅槽中的气体受到压缩 在密封环之间形成局部的高压区 使密封面脱离 从而能在非接触状态下运行 实现密封 密封端面上有一定数量的螺旋槽 其深度在0 1mm以内 密封原理是静压力与流体动力的平衡 作用在密封上的流体静态力是由介质压力和弹簧力产生 浮环密封 浮动环密封的原理是靠高压密封油在浮环与轴套间形成油膜 节流降压 阻止高压侧气体流向低压侧 将气体封住 油膜起阻隔作用 故又称为油膜密封 双浮环密封为提高密封处轴的耐磨性 一般在轴上加轴套 并在轴套上涂一层耐磨材料 组合密封 迷宫密封 浮环密封 机械密封 增强密封效果注油充氮抽气 透平式压缩机的性能曲线 压缩机运行点 压缩机特性 管网特性 离心式压缩机的工作点是压缩机性能曲线与管网特性曲线的交点 只要其中一条曲线发生变化 则工作点就会改变 管网阻力增大 如压缩机出口阀关小 其特性曲线将变陡 致使工作点向小流量方向移动 离心压缩机的特性曲线 流量 出口压强线 Q p线 是对特定的压缩机在一定转速下 通过实验测定的 其变化规律如图 1线 流量 功率线 流量 效率线略 压缩机后接管网系统 气体通过管网时 要克服一系列的阻力 还需要保持一定的压力 表示气流通过管网所需要的压力和流量之间关系的曲线 称为管网特性曲线 2线 它是一条近似抛物线 管网特性曲线和离心压缩机的特性曲线的交点A便是该压缩机的工作点 压缩机只有在这一点工作 其流量和压强才能满足外界管网的需要 压缩机和管网组成的整个系统处于平衡状态 在离心压缩机的特性曲线的右支 系统的流量发生瞬间变化 从Q增至Q1 此时管网压力随之增加 AB段 而压缩机出口压力却下降 AC段 管网上的压力 AB段 总大于压缩机出口压力 AC段 此压力差促使压缩机的流量减少 即由Q1回复至Q 工作点复原 与之类似 当Q降至Q2时 管网上的压力 AE段 总小于压缩机出口压力 AD段 此压力差促使压缩机的流量增加 即由Q2回复至Q 在离心压缩机的特性曲线的左支 当流量减少时 压缩机出口压力下降 形成一定的倒压力差 通过压缩机的气流因受到阻碍而造成流量进一步减小 出口压力也进一步降低 最终造成管网中的气体倒流到压缩机内 由于气体的倒流 管网上气体的压力快速下降 到一定值时 倒流停止 压缩机又开始向管网供气 经过压缩机的气量逐渐回升 管网上气体的压力增加 超过压缩机出口压力时 压缩机的流量受阻又开始减少 气体倒流又一次产生 周而复始 整个系统内出现周期性的气流振荡 发生喘振 喘振及其防治 试比较容积式压缩机 他们为什么没有喘振现象 喘振 在离心压缩机的生产过程中 人们发现当在某转速下 压缩机的流量减少至某一值时 会出现整个压缩机管网系统气流的周期性振荡现象 即喘振现象 喘振时 离心压缩机的性能大大恶化 气流参数 如压力 流量 出现周期性脉动 噪音加剧 整个机器强烈地振动 并可能损坏机器的轴承和密封 甚至造成严重的事故 喘振现象 1 气体介质的压力和流量出现大幅变化 严重时出现气体倒流 2 管网出现低频振动 伴有周期性的吼叫 3 压缩机机体 机壳 轴承等处出现强烈振动有周期性气流声 喘振具有以下特征 1 压缩机在稳定工况下运行时 其出口压力和进口流量变化不大 所测得的数据在平均值附近波动 幅度很小 当接近或进人喘振工况时 出口压力和进口流量剧烈波动 观察压力表和流量表可发现指针强烈来回摆动 2 压缩机在稳定运转时 其噪声较小且是连续性的 当接近喘振工况时 由于整个系统产生气流周期性的振荡 因而气流管道中发出的噪声也时高时低 产生周期性变化 当进入喘振工况时 噪声加剧 甚至有可能有爆声出现 3 压缩机接近或进入喘振工况时 缸体和轴承都会发生强烈振动 其振幅要比正常运行时大大增加 4 机组轴位移 轴振动会比压缩机正常运转时相对增加 甚至高于设计值 也可通过轴位移表和轴振动表观察到其变化过程 发生喘振的根本原因是压缩机流量降低 出口压力低于管网压力或管网阻力增加 1 正常运行时压缩机出口管网压力突然升高 造成压缩机出口憋压 气体倒流入压缩机 造成压缩机内气体流量降到喘振流量 2 入口压力低于规定值或入口压力调节阀失灵 使压缩机出口压力低于管网压力 3 在一定转速下 当气体密度变小时 离心力减小 引起压缩机出口压力低于管网压力 4 气体分离系统操作不当 致使压缩机入口气体带液报警值30 以下 机组返回正常工作状态 发生喘振的根本原因是压缩机流量降低 出口压力低于管网压力或管网阻力增加 5 汽轮机的蒸汽压力低或蒸汽品质不好 叶轮结垢 造成蒸汽的流通面积减小 机组转速下降 不能达到机组出口压力高于管网压力 6 调速系统失灵 辅助系统故障 轴封抽气器工作能力下降 7 防喘振流量整定不正确 防喘振阀堵塞或防喘振管线堵塞造成管道阻力增大 防喘振系统的调节器故障 8 进口过滤器脏堵塞造成吸气量不足 9 机组工艺流程设计不合理 如 原设计机组二段出口流量检测点位于二段出口放空阀之后 调整放空是会导致防喘振流量改变等 10 从压缩机性能曲线的角度来看 压缩机在发生喘振时 其工作点肯定进入了喘振区 因此压缩机喘振还与管网有着密切关系 或者说 一切能够使压缩机与管网联合工作点进入喘振区的外部原因均会造成喘振 在压缩机的运行中 以下因素也都会导致喘振 a 由于进气压力突然降低使出口压力降低 压缩机出口压力低于管网压力 止逆阀泄漏或止逆阀离压缩机太远 使高压气体倒回 导致管网特性曲线急剧变陡 压缩机与管网联合工作点迅速移动 进入喘振区导致喘振 b 冷却水中断 造成冷凝效果差 出口压力高 c 正常生产中 系统突然减量 中断工艺气 连锁动作停机时放空阀或防喘振阀没有及时打开 d 操作不当引起的喘振升速升压过快 没有按先升速后升压的原则进行 没有按性能曲线进行操作 出口压力控制得高 转速没跟上 e 机械部件损坏引起喘振 电磁阀失电 机械密封 平衡盘密封 O 形环和背件等部件损坏形成段间或级间窜气也会引起喘振 喘振的危害 l 被压缩气体的流量 排出压力发生高速的周期性变化 气体的温度升高 2 由于流量和压力的高速振荡 会伴随发生反向的轴向推力 使压缩机机体和部件产生强烈振动 甚至会打坏叶轮 烧毁轴瓦 破坏密封和轴承 造成主轴和压缩机的损坏 3 喘振时 压缩机进出口管道上的止逆阀会忽开忽关 阀芯反复撞击阀体 发生异常声响 4 喘振时 压缩机会发生周期性的类似牛叫的吼叫声 5 喘振带来的流量和压力的高速振荡 会造成工艺操作的不稳定 6 如果喘振损坏了压缩机的密封 会使润滑油窜人流道而进人设备 影响换热器和冷凝器的效率 7 多次发生喘振轻者会缩短压缩机的使用寿命 重者会损坏压缩机以及连接压缩机的管道和设备 造成被迫停车 喘振时 气流发出的噪音加剧 且时高时低 出现周期性的变化 压力计上指针的摆动幅度很大 整个机器及管网处在强烈的振动状态 据此可判断喘振的发生与否 用降低转速防止喘振n1 n2 n4 用放空或旁通防止喘振 采用在出口管路中安装放空阀或部分放空并回流的方法防止喘振 当压缩机运行到接近喘振点时 通过防止气量变化的文氏管流量传感器发出讯号传给伺服电机 使电机开始动作 并将防喘气阀打开 以达到管网压力的快速泄压 使通过压缩机的排气压力总大于管网上的气体压力 避免气体的倒流 保证整个系统总是处在正常的工作状态 学员提问 如何处理离心式压缩机轴向推力过大及轴位移增加问题 轴向推力过大 加平衡盘增加轴向推力轴承的承载能力保护离心式压缩机不产生轴向位移 压缩机振动的起因 1 联轴器的对中不良2 轴承油膜 轴承油膜振荡3 转子平衡状况 转子产生了弯曲或在转子上有可能产生了与不平衡力相类似的新激振力4 轴承磨损 由振动理论可知 如果轴承磨损 将会使转子 轴承系统支撑刚度降低 在激振力不大时 也会产生比较大的工频振动5 动 静摩擦 动 静部件碰撞时 转子上受到一个大的冲击力的作用 将使压缩机产生异常振动 保护离心式压缩机不产生轴向位移 电磁式 当转子发生轴向窜动时 间隙变动而引起磁组变化 时两侧铁芯磁极绕组产生不同电势 经继电器传给指示仪表 电触式 转子窜动时 触动电触点 即发出报警或停车信号 电涡流式 由传感器 交换器和指示器三部分组成 由于间隙的变化 引起阻抗的变化 导致输出电压的变化 由变换器完成轴向位移与电压间的转换 通过指示器发出讯号 液压式 喷嘴与转子凸缘的间隙 S变化时 输出的油压发生变化 由曲线P F S 得知相应的轴向位移 装在轴上的叶轮及其他零 部件共同构成透平压缩机的转子 透平压缩机的转子虽然经过了严格的平衡 但仍不可避免地存在着极其微小的偏心 另外 转子由于自重的原因 在轴承之间也总要产生一定的挠度 上述两方面的原因 使转子的重心不可能与转子的旋转轴线完全吻合 从而在旋转时就会产生一种周期变化的离心力 这个力的变化频率无疑是与转子的转数相一致的 当周期变化的离心力的变化频率和转子的固有频率相等时 压缩机将发生强烈的振动 称为 共振 所以 转子的临界转速也可以说是压缩机在运行中发生转子共振时所对应的转速 临界转速与共振 与转子及其支承系统的固有振动频率相对应的转速 称临界转速 转子在各种振型下有一系列固有振动频率 为第一阶固有振动频率 第二阶固有振动频率 因而也有相应的一系列临界转速 由低及高依次称为第一阶临界转速 第二阶临界转速等等 临界转速的大小与轴的结构 粗细 叶轮质量及位置 轴的支承方式等因素有关 转子的临界转速 取决于转子系统的质量 长度和刚度的大小 转子越长 质量越大 临界转速越低转子的刚度越大 临界转速越高 转子横向振动的固有频率有多阶 相应的临界转速也有多阶 按数值由小到大分别记为1 2 等有工程实际意义的是较低的前几阶任何转子都不允许在临界转速下工作对于工作转速低于其一阶临界转速的刚性转子 要求 0 7 对于工作转速高于其一阶临界转速的柔性转子 要求1 4n2 n 0 7n1 共振的危害 转子如果在临界转速下运行 会出现剧烈的振动 而且轴的弯曲度明显增大 长时间运行还会造成轴的严重弯曲变形 甚至折断 a 一阶振形 b 二阶振形 c 三阶振形 共振条件转子干扰力频率 转子固有频率压缩机转速 n阶临界转速 刚性轴与柔性轴 设法让压缩机的工作转速避开临界转速 以免发生共振 通常 离心压缩机轴的额定工作转速竹或者低于转子的一阶临界转速 n1 或者介于一阶临界转速n1与二阶临界转速n2之间 前者称作刚性轴 后者称作柔性轴 刚性轴要求 n 0 7n1柔性轴要求 1 3nl n 0 7n2 柔性轴压缩机起动Compressorsetup 对于柔性轴来说 在启动或停车过程中 必然要通过一阶临界转速 其时振动肯定要加剧 但只要迅速通过去 由于轴系阻尼作用的存在 是不会造成破坏的 压缩机从停用状态 按一定的程序进行点动 在远低于转子第一临界转速nc1下升速暖机 建议在0 5nc1时开始监视振动 在0 8nc1下轴承振动小于0 08mm时 可快速升速通过第一阶临界转速 并达到额定转速 旋转机械在设计和使用中 必须设法使工作转速避开各阶临界转速 临界转速的数值与转子的材料 几何形状 尺寸 结构形式 支承情况和工作环境等因素有关 计算转子临界转速的精确值很复杂 需要同时考虑全部影响因素 在工程实际中常采用近似计算法或实测法来确定 对于在图纸设计阶段的转子 可用分解代换法 当量直径法或图解法估算其一阶临界转速 也可用传递矩阵法或有限元法利用电子计算机计算各阶临界转速 对于已经制造出的转子 可用各种激励法实测其各阶横向振动固有频率 进而确定各阶临界转速 为避免事故 改进设计提供依据 滑动轴承的工作情况影响临界转速 转子的温度随运行工况变化 故临界转速也受运行工况的影响 支承刚度一般是指油膜 轴承和基础的总刚度 其中油膜刚度随运行工况变化较大 因轴承的相对标高在冷态与热态下有所差异 从而改变了油膜的刚度和阻尼 也会影响转子的临界转速 透平式压缩机转子的动平衡 静平衡动平衡 力平衡而力矩不平衡 力平衡而力矩也平衡 转子工作时有一力矩作用于轴承 轴承已无横向力矩作用 静平衡的力学条件动平衡的力学件 在转子上加一平衡质量所产生的惯性力与各偏心质量的惯性力的合力 或质径积的矢量和 为零 或使转子的质心在回转轴线上 即 FI 0 各偏心质量 包括平衡质量 的惯性力的矢量和为零 以及由这些惯性力所构成的力矩的矢量和也为零 即 FI 0 MI 0 G 转子平衡品质 单位mm s 从G0 4 G4000分11级 衡量转子平衡优劣程度的指标 G e 1000式中 e 转子允许的不平衡率gmm kg或转子质量偏心距 m 相应于转子最高工作转速的角速度 2 n 60 n 10 n为转子的工作转速r min G小 转子平衡品质好 高转速时 时转子允许的不平衡率e要求小 平衡精度等级 国际标准化组织 ISO 制定了ISO1940平衡等级 将转子平衡等级分为11个级别 每个级别间以2 5倍为增量 从要求最高的G0 4到最低的G4000 单位mm s 代表不平衡对于转子轴心的偏心距离 G4000具有单数个气缸的刚性安装的低速船用柴油机的曲轴驱动件G1600刚性安装的大型二冲程发动机的曲轴驱动件G630刚性安装的大型四冲程发动机的曲轴驱动件弹性安装的船用柴油机的曲轴驱动件G250刚性安装的高速四缸柴油机的曲轴驱动件G100多缸高速柴油机的曲轴传动件 汽车 机车用的发动机整机G40汽车车轮 轮毂 车轮整体 传动轴 弹性安装的六缸和多缸高速四冲程发动机的曲轴驱动件G16特殊要求的驱动轴 螺旋桨 万向节传动轴 粉碎机的零件 农业机械的零件 汽车发动机的个别零件 特殊要求的六缸和多缸发动机的曲轴驱动件G6 3商船 海轮的主涡轮机的齿轮 高速分离机的鼓轮 风扇 航空燃气涡轮机的转子部件 泵的叶轮 机床及一般机器零件 普通电机转子 特殊要求的发动机的个别零件G2 5燃气和蒸汽涡轮 机床驱动件 特殊要求的中型和大型电机转子 小电机转子 涡轮泵 透平压缩机G1磁带录音机及电唱机 CD DVD的驱动件 磨床驱动件 特殊要求的小型电枢G0 4精密磨床的主轴 电机转子 陀螺仪 转子不平衡量的要求m 转子不平衡的合格量 gr 平衡校正半径 mm m r 9500M G n式中 M 转子质量 kgG 平衡精度等级 g mmn 转子工作转速 rpm G m r M 1000 m r 2 n 60 1000M m rn 9500M 何谓质径积 为什么要提出 质径积 这个概念 质径积是什么量 m r大m r小 回转体在旋转时 其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消 离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上 引起振动 产生了噪音 加速轴承磨损 缩短了机械寿命 严重时能造成破坏性事故 为此 必须对转子进行平衡 使其达到允许的平衡精度等级 或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内 离心式平衡机是在转子旋转的状态下 根据转子不平衡引起的支承振动 或作用于支承的振动力来测量不平衡 其按校正平面数量的不同 可分为单面平衡机和双面平衡机 单面平衡机只能测量一个平面上的不平衡 静不平衡 它虽然是在转子旋转时进行测量 但仍属于静平衡机 双面平衡机能测量动不平衡 也能分别测量静不平衡和偶不平衡 一般称为动平衡机 对于静不平衡的转子 无论有多少个偏心质量 需先进行单面平衡 对于任何动不平衡的刚性转子 无论其具有多少个偏心质量 以及分布于多少个回转平面内 都需对其进行双面平衡 高转速 长转子的动平衡尤为重要 转子找静平衡时在静平衡台上进行的 将转子放在静平衡台的轨道上 往复滚动数次 则重的一侧必然垂直向下 如此数次的结果均一致 即下方就是转子不平衡重量G的位置其对称方向 即为加平衡重量的位置 当然也可在同一方向减重 动不平衡 当转子旋转时 若转子的不平衡质量造成两个或两个以上相反的离心力 且这对离心力不在同一个平面内 使转子受到了力偶作用 则这种现象称为动不平衡 显然 这种动不平衡的转子在静止时是平衡的 压缩机转子动平衡 振动防治及监测 启车影响机组启动时 由于机组启动电流大 瞬间扭力也很大 造成电动机有移位感 而且在启动过程中 渡过喘振区是个不稳定的过程 振动明显起伏 频繁开停车影响频繁开停车对机组振动也有影响 由于客观条件不允许或机械故障的影响 被迫一年中开停多次 使转子平衡被破坏 停车时会把积在转子上的尘土或其他氧化物不均衡地脱落 破坏了转子的平衡 冷凝水的影响空气中带有腐蚀性气体的冷凝水造成转子 尤其是3 4级 气封 扩压器和碳钢空气管道等腐蚀严重 产生空气涡流的振动 管道氧化物的冲刷造成转子平衡破坏 振动激烈 对中不良将导致轴向 径向产生交变力 引起轴向振动和径向振动 而且振动会随着不对中严重程度的增加而增大 齿轮接触面不足 在静态下使接触面不低于85 严重点蚀和大齿面剥落造成机组振动很大 齿轮的损坏就呈恶性循环 转子动平衡不良 由于转子制造误差 装配误差以及材质不均匀等原因造成的转子静平衡 动平衡不良 长时间运行后 引起转子上不均匀结垢 介质中粉尘的不均匀沉积 介质中颗粒对叶片及叶轮使用维护的不均匀磨损等原因引起的转子不平衡 表现为振动值随着运行时间的延长而逐渐增大 由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着 卡塞造成的转子不平衡 表现为振动值突然升高 油膜振荡 油膜涡动引起的低频振动 轴承中的油膜在转轴和轴承间运行 起到传递平衡载荷和润滑冷却的作用 如轴承稳定性不好 会导致油膜半速涡动 对转子和轴寿命的影响程度超过工频振动的影响 它使转子振动总量增大 油质的影响 油质酸性增大 机械杂质增多 对密封腐蚀很大 造成密封或轴磨损加大 表面光滑度降低 从而使振动加大 油压油温影响 必须控制压缩机油温在合理范围内 油温高油粘度下降 在增速器内油泡沫增多 再加上回油不畅造成增速器内油位升高 斜齿轮转动时向一侧喷油 直接喷向轴承一侧 造成一侧轴承回油不畅 轴承内油压高 供油不均匀 致使轴承磨损不均匀 振动加大 机前气体过滤 机后阻力的影响 喘振 气体动力引起的激振 振动防治要点 确保高质量的安装水平 透平机的轴承要解决三轴平行度 水平方向和垂直方向 和同轴度的根本 轴承若选得不当 会造成整机振动剧烈 采用可倾五块瓦轴承可以自动调节其倾斜度 以保证轴的中心在任何时候不偏离 这样解决了轴在高速运转下的振动问题 使机组稳定的运转成为可能 可倾瓦轴承轴也以应对轴承负载在机组加载 卸载过程中的变化 使得轴承在机组负荷剧烈变化时也可从容应对 按规程启动压缩机 控制好油系统 油温 油压 油质 压缩机振动异常 运行电流升高 对此压缩机利用HY 106型振动检测仪对其振动信号进行采集 全部测点都分布在滚动轴承处 故障振动时电机和压缩机前轴承水平方向的时域图形与频谱图 另一台离心压缩机振动 对压缩机进行停机检修处理 测量联轴器发现不对中量达0 254mm 于是对其进行找正处理 后重新开机运行 检测发现谱图二倍频处的幅值已明显变小 机组运行平稳 故障时基频振动幅值将近平时的两倍 低于或高于基频的振动值都很小 同时可见时域波形接近正弦波 这些都为不平衡故障典型特征 据此可以判断压缩机存在不平衡现象 立即停车检修 发现压缩机叶轮严重积灰 经清理积灰后 压缩机振动异常信号明显消除