江玉川
(伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司,新疆伊寧 835000)
石化企業(yè)大型重油的催化裂化裝置應(yīng)用D250-14 型號(hào)的離心式壓縮機(jī)。裝置開(kāi)工以來(lái)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定,經(jīng)常由于振動(dòng)異響停機(jī),影響催化裝置的生產(chǎn),導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下滑。
D250-14 型號(hào)的壓縮機(jī)組成:齒輪單級(jí)增速懸臂式風(fēng)機(jī),葉輪裝于高速軸上,電機(jī)和齒輪箱低速軸(小齒輪)由柱銷聯(lián)軸器相連,高速軸為三油楔軸承。壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
介質(zhì)空氣;軸功率500 kW;額定軸功率514 kW;電機(jī)轉(zhuǎn)速2975 r/min;主軸轉(zhuǎn)速7583 r/min;入口壓390 kPa;出口壓480 kPa;最大入口流量550 Nm3/min;計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速:nc1=7074 r/min;nc2=33270 r/min。
圖1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)
壓縮機(jī)組剛運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈異響,管道、箱體振動(dòng),機(jī)器存在間歇性振動(dòng)。振動(dòng)劇烈時(shí),機(jī)組、蝸殼、齒輪箱、管線大幅度振動(dòng),聲音驚人,壓縮機(jī)被迫終止運(yùn)行。手持型測(cè)振儀測(cè)量高速軸承箱體的振動(dòng),振動(dòng)速度值18 mm/s,振幅120 μm。3月10日,機(jī)組再次強(qiáng)烈振動(dòng),測(cè)量高速軸的葉輪端軸承座振動(dòng),水平振動(dòng)的頻譜見(jiàn)圖2。
工頻幅值突出,占通頻幅值的7/10,出現(xiàn)明顯的半頻、二倍頻以及3/2 中間諧波,未發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合頻率。開(kāi)箱檢查,齒輪嚙合面正常,高、低速軸瓦損壞,尤其是高速軸的葉輪端軸瓦。①瓦面存在較大磨損、熔化;②局部分巴氏合金層脫落;③瓦面松動(dòng)、開(kāi)裂。經(jīng)過(guò)大修,壓縮機(jī)第一次試機(jī),發(fā)出巨大振動(dòng)與吼叫聲,隨即停機(jī)。啟動(dòng)時(shí)記錄的頻譜見(jiàn)圖3。
圖2 高速軸葉輪端水平振動(dòng)頻譜
圖3 高速軸葉輪側(cè)水平振動(dòng)頻譜
振動(dòng)速度的通頻幅值18.17 mm/s,(工 頻127 Hz,17.98 mm/s)是代表性的同頻振動(dòng)??赡苁艿捷S變彎曲、轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心、角對(duì)中不良、轉(zhuǎn)子不平衡、軸磁化、軸偏心、相鄰振源、機(jī)殼變形因素影響。
大修離心式壓縮機(jī),更換舊軸瓦,對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡,非葉輪端振動(dòng)速度值0.7 mm/s,葉輪端振動(dòng)速度值1.3 mm/s,均<1.8 mm/s(標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)速度值),可排除由于齒輪偏心嚙合、轉(zhuǎn)子不平衡引發(fā)的同頻振動(dòng)。測(cè)量振動(dòng)發(fā)現(xiàn)速度上升期間,機(jī)組轉(zhuǎn)速升到接近最大轉(zhuǎn)速時(shí),振動(dòng)明顯增大,以1 倍頻為主,可能是臨界不平衡現(xiàn)象,機(jī)組的運(yùn)行速度接近臨界轉(zhuǎn)速產(chǎn)生強(qiáng)烈異響。
2.2.1 計(jì)算隔離裕度
為抑制壓縮機(jī)的共振,對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),機(jī)組轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速n 脫離了臨界轉(zhuǎn)速ncl理論范圍,即隔離裕度。壓縮機(jī)的隔離裕度計(jì)算見(jiàn)式(1)。
隔離裕度較小。工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以上轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性軸,規(guī)定工作轉(zhuǎn)速n 滿足式(2)。
式(2)為經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要密切關(guān)注。按照廠家要求的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算,壓縮機(jī)n/nc1=7583/7074=1.07<1.3。工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速接近,轉(zhuǎn)子運(yùn)行落于強(qiáng)振區(qū)。轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅頻曲線見(jiàn)圖4。
2.2.2 臨界轉(zhuǎn)速改變的影響
臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子形狀、材料、結(jié)構(gòu)、大小、工作環(huán)境、支承狀況相關(guān)。計(jì)算透平壓縮機(jī)臨界轉(zhuǎn)速近似值時(shí),假設(shè)支座為絕對(duì)剛性,實(shí)際軸承多為彈性支座,軸承油膜的剛性程度伴隨轉(zhuǎn)速改變。軸承形式、軸瓦間隙、油溫波動(dòng)影響支承及油膜的剛度,還影響到轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速,臨界轉(zhuǎn)速具有特定的波動(dòng)范圍,實(shí)際運(yùn)行時(shí)才會(huì)測(cè)出精準(zhǔn)的臨界轉(zhuǎn)速。機(jī)組的機(jī)級(jí)隔離裕度偏小,臨界轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速。
圖4 轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅頻曲線
2.2.3 現(xiàn)象的分析
(1)壓縮機(jī)工作在臨界轉(zhuǎn)速周邊,振動(dòng)很大(高速軸承座振速8 mm/s:低速軸承座振速4 mm/s)。臨界轉(zhuǎn)速微小的波動(dòng),等于工作轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生共振,軸頸、軸瓦之間強(qiáng)烈碰摩,機(jī)組發(fā)出吼叫。
(2)主振頻率設(shè)置為轉(zhuǎn)速頻率。頻譜圖中的工頻分量最突出,軸瓦、轉(zhuǎn)子間的碰摩存在,并在機(jī)器不斷振動(dòng)時(shí),軸瓦受損,間隙變大、支承松動(dòng),易產(chǎn)生中間諧波、倍頻。
(3)風(fēng)機(jī)側(cè)易發(fā)生共振。高速軸的葉輪側(cè)軸瓦兩端分別為配重部分、懸臂葉輪,二者占據(jù)轉(zhuǎn)子總重量的7/10,軸瓦的負(fù)載較大,振動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力,振動(dòng)時(shí)受損嚴(yán)重。
(1)臨界轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若工作轉(zhuǎn)速改變困難,則調(diào)整臨界轉(zhuǎn)速,增大隔離裕度。
按照簡(jiǎn)化后的臨界轉(zhuǎn)速公式(3):
式中 G——轉(zhuǎn)子重量,kg
D——轉(zhuǎn)子直徑,mm
E——材料彈性模量,MPa
從(3)式可知:臨界轉(zhuǎn)速與軸徑成正比。不能增加轉(zhuǎn)子軸徑,讓臨界轉(zhuǎn)速提升??梢詼p小軸徑,讓臨界轉(zhuǎn)速下降。在剛度、強(qiáng)度允許的情況下可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算,減少原軸頸(r=100 mm)到(r=80 mm),經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算,臨界轉(zhuǎn)速?gòu)脑瓉?lái)的7074 r/min 可以調(diào)節(jié)為6436 r/min,隔離裕度15.1%。該隔離裕度達(dá)到API617 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)優(yōu)化高速軸承結(jié)構(gòu),更新三油楔軸承為四油楔軸承,增強(qiáng)穩(wěn)定性。軸頸變小,需重新設(shè)計(jì)軸瓦大小,因軸承載荷未發(fā)生變化,當(dāng)軸徑從100 mm 變?yōu)?0 mm 時(shí),軸承比壓增加,偏心率增大,軸承承載能力增加,提升油膜的穩(wěn)定性。通過(guò)相關(guān)的計(jì)算,3 油楔、4 油楔的軸承數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,其中K 為油膜剛度系數(shù),C 為阻尼系數(shù)。
表1 軸承數(shù)據(jù)
4 油楔軸承從剛度、承載能、阻尼方面,優(yōu)于3 油楔軸承。將3 油楔軸承變?yōu)? 油楔軸承可以增強(qiáng)軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性能。
(3)優(yōu)化效果。對(duì)高速軸轉(zhuǎn)子改造,2016年秋季,壓縮機(jī)試車,振幅值全面下降,最大振動(dòng)速度值1.472 mm/s,振幅值121 μm,振動(dòng)頻譜見(jiàn)圖5。負(fù)荷開(kāi)車運(yùn)行良好,開(kāi)、停機(jī)多次未出現(xiàn)異常,至此,壓縮機(jī)振值超標(biāo)等問(wèn)題已經(jīng)得到有效地解決。
壓縮機(jī)強(qiáng)烈異響的原因在于工作轉(zhuǎn)速與1 階臨界轉(zhuǎn)速接近,隔離裕度較小。如果隔離裕度小,臨界轉(zhuǎn)速可能對(duì)機(jī)組的振動(dòng)產(chǎn)生很大影響??蓽p小軸徑直徑,降低1 階臨界的轉(zhuǎn)速,使隔離裕度增大。將3 油楔軸承改造為4 油楔軸承,增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性能。
圖5 改造后的高速軸葉輪側(cè)水平振動(dòng)的頻譜