案例: 壓縮機共振的再次激勵

文齋WZ 2020-09-27

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許多制冷壓縮機運行在如氨或乙烯一類的工廠裝置上，配置有多個側(cè)流加上一個或多個萃取水平，這些制冷壓縮機系統(tǒng)的設(shè)計是為了保持特定的流量和制冷劑溫度。在許多情況下，工藝要求是相當嚴格的，壓縮機優(yōu)化運行在一個非常有限的性能區(qū)間。這些要求提出了一些具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)和機械設(shè)計考慮，往往導(dǎo)致機器難以在非設(shè)計條件下運行。

例如，考慮一個大型的六級丙烯制冷壓縮機，它在設(shè)計運行條件下的馬力超過30000馬力，轉(zhuǎn)子重7,100磅，100%工廠負荷下的正常運行速度是3,860RPM。顯然，這一速度將受到控制系統(tǒng)的調(diào)整，取決于實際運行的裂解爐數(shù)量，以及相關(guān)的制冷劑負荷。圖1所示的波德圖和圖2所示的極坐標圖描述了這個機組的典型啟動，這一瞬態(tài)數(shù)據(jù)是從壓縮機聯(lián)軸器端的水平渦流探頭獲得的。在該機器上，水平方向振動通常大于垂直運動，排出端軸承的振動略高于非驅(qū)動吸入端軸承。因此，圖1和圖2所示的數(shù)據(jù)代表了正常機組啟動時所遇到的最高振動振幅。

圖1：冷凍壓縮機啟動到最小調(diào)節(jié)的伯德圖

圖2：冷凍壓縮機啟動到最小調(diào)節(jié)的極坐標圖

這是相當順利的啟動，明確定義的壓縮機的一階臨界轉(zhuǎn)速2,020 RPM，觀察到的臨界響應(yīng)范圍從大約1600擴展到2500RPM。高峰響應(yīng)有點尖銳，但這是由于快速升速程序進入電子控制，因此，這種瞬態(tài)反應(yīng)不表明有任何機械異常。

在啟動24小時后獲得了一組完整的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，在平均速度為3680RPM時排出端軸承的軌跡和波形如圖3所示。壓縮機的運動軌跡是正進動，在排氣端呈橢圓形，在吸氣端呈圓形運動（未顯示）。此外，在排出端軸承次同步不穩(wěn)定性是可見的，低頻運動的主要方向是水平方向，頻率在1980至2100CPM之間振蕩。對該次同步分量的擴展觀察顯示，2060 CPM是主頻率，在排出端水平方向峰值振幅達到1.5Mils,p-p。圖4所示的FFT圖顯示了時間平均行為，在2060CPM有明顯峰值，平均水平振幅為1.1 Mils,p-p。還應(yīng)該提到的是，在吸入端軸承的次同步振動振幅一般保持在0.25 Mils p-p以下。

這2060 CPM頻率被認為是壓縮機轉(zhuǎn)子的一階臨界速度，如前所述，啟動數(shù)據(jù)顯示在2020rpm時出現(xiàn)平移平衡共振（一階臨界）。然而，由于剛度特性隨速度、軸頸偏心和溫度的變化，啟動一階臨界通常不同于全速狀態(tài)下觀察到的臨界響應(yīng)，因此，2060 CPM分量被認為是壓縮機第一臨界轉(zhuǎn)速的再激勵。

圖3：冷凍壓縮機正常啟動后驅(qū)動端軸承軸心軌跡和波形圖

圖4：冷凍壓縮機正常啟動后驅(qū)動端軸承頻譜圖

這種現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生了二十多年，以往的研究已經(jīng)將壓縮機的不穩(wěn)定性與萃取側(cè)流聯(lián)系起來。從歷史上看，丙烯制冷系統(tǒng)的啟動會在萃取管道中產(chǎn)生流量和壓力波動，這些基于流體的激勵通過水平萃取噴嘴傳輸?shù)綁嚎s機轉(zhuǎn)子的排氣端。觀察到的軸運動主要是水平的，最大的激勵發(fā)生在轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器（排氣）端。萃取流中的流體波動對壓縮機轉(zhuǎn)子提供了寬帶激勵，并且通常激發(fā)第一臨界速度，此外，由于壓縮機和透平之間接近的平衡共振轉(zhuǎn)速，透平一階臨界也被驅(qū)動。雖然主要的次同步振動發(fā)生在壓縮機排氣軸承，機組的其他軸承顯示低水平的激勵，然而，當制冷系統(tǒng)按程序操作后，萃取流的不穩(wěn)定性減弱，兩個轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的激勵通常消失。

為了支持這個解釋，圖5和圖6顯示了在3,860RPM的平均速度和滿工藝負荷下獲得的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。雖然1X轉(zhuǎn)速矢量發(fā)生了微小變化，但次同步運動不再存在，對透平數(shù)據(jù)檢查發(fā)現(xiàn)一階臨界的運動也不存在了，因此，通過建立丙烯制冷系統(tǒng)的正常負荷，記錄的不穩(wěn)定萃取流條件下壓縮機的一階臨界轉(zhuǎn)速的重新激發(fā)被消除了。這個行為和這個機組的歷史行為是完全一致的。