透平膨胀机转子系统振动故障分析与处理

收稿日期:2011-
08-19作者简介:白晖宇，男，上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室博士。

透平膨胀机转子系统振动故障分析与处理
白晖宇1
，朱
瑞
2，3
，孟
光4，李鸿光
5
(1、2、4、5.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海市闵行区东川路800号200240;
3.上海电力学院能源与环境工程学院，上海市杨浦区平凉路2103号200090)
摘要:透平膨胀机是低温法空分设备及气体分离和液化装置中的重要部机之一，在实际生产中，膨胀机处于高速运转中，最常见也是最易发生的故障大多是由转子—轴承系统振动所引起。

分析叶轮轴向窜动、转子不平衡振动、轴承自激振动、喘振和液击现象等振动故障的原因，提出改进措施，以保证空分设备稳定和安全运行。

关键词:空分设备;透平膨胀机;转子;振动中图分类号:TB653文献标识码:A
Analysis and treatment of vibration trouble of turbine expander rotor system
Bai Huiyu 1，Zhu Rui 2，3
，Meng Guang 4，Li Hongguang 5
(1，2，4，5．Shanghai Jiaotong University Mechanical System and Vibration Key State Lab ，800#Dongchuan Road ，Minhang District ，Shanghai 200240，P．R．China ;3．Institute of Energy and Environment Engineering ，Shanghai University of Electric Power ，2103#Pingliang Road ，Yangpu District ，Shanghai 200090，P．R．China )
Abstract :The turbine expander is one of important devices of the low-temperature process air separation plant and the gas separation and liquefaction equipment．During actual production ，the expander runs at high speed ，and thus the most common and most liable trouble is usually resulted from vibration of rotor-bearing system．The causes for axial displacement of impeller ，unbalanced vibration of rotor ，self-excited vibration of bearing ，surge ，and liquid hammer are analyzed ，and for safe and steady run of air separation plant the improving measures are proposed．
Keywords :Air separation plant ;Turbine expander ;Rotor ;Vibration
引言
透平膨胀机是低温法空分设备及气体分离和液
化装置的重要部机之一。

膨胀机的变革、发展和进步必然会促使低温法空分设备、气体分离和液化装置等成套装置的变革、发展和进步。

透平膨胀机利用工质流动时速度的变化来进行能量转化，因此也称为速度型膨胀机，有时也称为涡轮膨胀机。

它具有高转速、低温、压差大等工作特点，优点是体积
小、重量轻、效率高、噪声小、节能省电、操作方
便、运转时间长、无油污染等，因而得到广泛应用。

［1-3］
增压透平膨胀机主要由膨胀机通流部分、增压
部分和机体三部分组成。

膨胀机通流部分是获得低温的主要部件，包括蜗壳、喷嘴、膨胀轮和扩压器;增压部分是透平膨胀机功率的消耗元件;机体起着传递、支撑和隔热的作用。

由膨胀轮、增压轮和主轴等旋转零件组成的部件称为转子。

膨胀轮和
增压轮悬挂在主轴两端，为双悬臂式转子。

［4-5］透平膨胀机将来自上游的高压气流膨胀为低压气流，连续不断地将动能转化为机械能。

高速气流使叶轮旋转，再通过由轴承支撑的转轴将机械能传递给压缩机、发电机，也可用油制动、风机制动消耗。

工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴输出外功，从而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。

［6］
在空分设备启动时，需要透平膨胀机提供大量的冷量使空气液化;而在正常运行时，也要依靠透平膨胀机制冷来补偿冷损失。

对透平膨胀机的正常维护和检修，不仅是保证透平膨胀机安全、可靠运行的必要措施和保持其发挥最佳效能的重要前提，还是空分设备正常运行的保障。

但在实际生产中，透平膨胀机处于高速运转中，最常见也是最易发生故障的系统是转子—轴承系统。

常见的故障有叶轮轴向窜动、不平衡振动、轴承自激振动、风机喘振和叶轮液击现象等。

这些故障常引起生产不平稳，甚至导致装置停机。

因此，深入分析透平膨胀机转子系统振动故障原因，并有效地采取防护措施，对空分设备长周期、稳定、安全运行十分必要。

［7-11］
1叶轮轴向窜动
1.1叶轮轴向窜动的原因
透平膨胀机在变工况运行时，要求轴承具有较高的可靠性。

尤其是在开、停机时，膨胀空气量和压差波动较大，使止推轴承承受较大交变推力负荷，使膨胀机轴向推力不平衡值超过正常允许值，转子振动值超标，轴承和转子的稳定性和适应性遭到破坏，设备损坏。

引起叶轮轴向窜动的原因主要有:
(1)通常膨胀机增压端叶轮在轮盖上设计有迷宫式密封，虽然减少了空气泄漏，但却导致了叶轮前后压差过大，从而导致增压轮产生较大轴向力，易使止推轴承损坏。

(2)分子筛吸附器操作不当或净化失效，二氧化碳进入低温系统，在不同温度和压力下，二氧化碳由气体变成固体并聚集成大块的干冰，当温度升高时又急剧汽化膨胀，对工作轮产生一个径向和轴向作用力，破坏转子旋转轨迹，引起轴向窜动。

(3)干燥塔分子筛失效，脱水效果不佳，在膨胀轮叶片上形成水化物，堵塞叶轮流道，造成膨胀端轮背压力升高，使轴向力不平衡值指向膨胀端。

(4)透平膨胀机轴向推力平衡器调节阀关闭不严，平衡作用失效，内漏造成增压端轮背压力降低，使轴向力不平衡值指向膨胀端。

(5)膨胀端轮背密封梳齿损坏，导致高压密封气体窜到叶轮背后，造成轮背压力升高，使推力不平衡值增大，且指向膨胀端。

(6)迷宫式轴套止推面过于单薄，无法承载轴位移推力。

(7)透平膨胀机增压管线设计布局存在诸多问题:弯多、阀门安装集中，没有充分考虑到管道膨胀对设备的推力和气流扰动对设备的影响。

1.2改进措施
(1)改进转子结构:取消增压端叶轮轮盖密封，以降低轴向推力;更换主轴材质，以增强其强度和刚度，降低叶轮摆动。

(2)强化净化效果，严格分子筛吸附器的工艺操作规程，注意机前温度不要过低。

(3)当透平膨胀机内出现液体造成振动时，压力表会急速跳动，温度指示波动，应迅速降低膨胀机转速，或停止膨胀机运行，并打开蜗壳吹除阀和出口吹除阀，排尽液体，同时设法提高膨胀机进口温度。

(4)在膨胀轮背开平衡孔，使膨胀端与出口处接通，保持轮背压力和出口压力基本平衡，从而消除膨胀端的不平衡轴向力。

(5)增强密封轴套的强度。

加大轴套止推面厚度，使其能承受较大轴向推力。

并在其端面圆周加一油槽，避免由于推力大时油膜形成不及时造成干摩擦，使轴套被烧毁，提高安全、可靠性。

(6)重新布置增压端工艺管线。

延长管线，减少弯头;更换阀门，加大间距，以减少气流扰动;在膨胀机进、出口管线安装橡胶接头和中间止推法兰，消除管路膨胀对设备的推力。

2不平衡振动
2.1不平衡振动的原因
影响转子不平衡的主要因素有:转子形状不对称、机械制造误差、热处理不当而造成的轴弯曲、残余应力引起的变形等;另外，还有透平机械转子由于叶片装嵌在转轴上产生的安装误差、发电机转子绕组的不均匀、部分残留有铸造和锻造表皮的转轴质量不均匀等因素。

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不平衡，在试运之初，便会引起振动;由于转子上不均匀结垢、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。

常见的空气轴承透平膨胀机由于在装拆、运转过程中，因对中不好、磨损或轮内杂质冻结而破坏转子的动平衡，在旋转时，会产生一种离心力作用在转子上，引起转子振动。

这种振动属于涡动不稳定。

涡动的振幅值若超过轴承的径向间隙，轴颈和轴承将发生摩擦而造成卡机。

引起转子不平衡振动的原因还有:
(1)由于空气带油较多，正常运行时凝固的润滑油存积在工作轮和汽缸壁之间的间隙中，工作轮不可避免地将油刮黏在工作轮叶片上，使转子重心偏移，产生离心力造成卡机。

(2)由于风机进气管道的空气过滤器滤网较疏，达不到过滤效果，有时管道密封不好，灰尘、油蒸气进入管道后黏附在风机轮上，造成转子动平衡状况不佳。

(3)叶轮端动载荷过大，表现为转速突然增加，即飞车。

主要原因在于进口驱动过大而气流在流道中未形成均匀的流动。

驱动过大的原因在于进口流量突然增加过多或温度过高引起的进口比焓较高。

2.2改进措施
(1)事先对转子的每一个零件进行良好的动平衡或静平衡试验。

组成转子后，同样先进行静平衡试验，然后进行动平衡试验，精确校正转子的动平衡，最大限度地降低不平衡量，降低转子在高速旋转时产生的离心力，扩大转子稳定裕度，增加转子结构本身的稳定性。

另外，运输过程中要确保不碰撞转子。

(2)强化净化效果，严格分子筛吸附器的工艺操作规程;操作时注意机前温度不要过低。

(3)使用纸质过滤芯;检查进气管道的密封性;定期拆下风机端盖进行清洗保养。

3轴承自激振动
3.1轴承自激振动的原因
(1)由于轴承制动油压过低或温度过高引起的油黏度系数减小使制动力不足，突然达到轴承的涡动转速，引起轴承涡动失稳。

(2)气体润滑静压轴承高速运转时有涡动不稳定的现象。

一般认为是由静不平衡引起的柱涡和动不平衡引起的锥涡综合影响形成的。

(3)气体润滑静压轴承高速运转时也有静压不稳定的现象。

静压不稳定会出现在带有气囊的轴承内，在带气囊的小孔供气的推力轴承中，由于气囊中气体的可压缩性引起的自激振动会大到发出低频响声，称为“气锤不稳定”。

在轴承气囊中，如果容积气囊效应的作用大于挤压气膜效应，只要主轴受到一点微小的外部干扰，则主轴的振幅将随着时间的增大而增大，这是带气囊的静压气体轴承的另一种自激涡动现象。

(4)气体轴承供气压力过低，造成透平膨胀机不能正常运转而产生振动。

(5)润滑油压力过低，在轴承内不能形成润滑所需的油膜，或润滑油有杂质，造成油压不均匀，使转子振动。

(6)轴承与轴颈间隙过小，无法形成油膜而起到润滑作用。

此时摩擦系数几倍于液体润滑，导致振动值升高。

3.2改进措施
(1)在启动过程中有可能会产生涡动，这时应在涡动转速处加大流量以跳过不稳定区域，使其转速达到额定转速。

(2)为使气体润滑静压轴承正常工作，应设法在轴承中增加阻尼来减小轴颈涡动的频率，抑制或延迟自激涡动，即提高涡动比。

如在轴承外增加“O”形橡胶圈用以吸收轴颈涡动能量，从而提高自激起始转速。

通过沿轴颈旋向作切向供气，引起与轴旋转相反的涡动，从而起到阻尼的作用。

(3)为了避免气体润滑静压轴承静压不稳定的发生，通常在结构上采取一些措施，如增加供气孔数目、止推轴承可采用整圈气沟代替气囊、减小供气孔直径等方法。

(4)经常检查轴承气供气管路，定期清洗轴承气过滤器，以保证轴承气供气良好，轴承气清洁无油水。

(5)及时调整油压或清洗润滑油管道和更换润滑油。

(6)要保证轴承质量。

4风机喘振
4.1风机喘振的原因
风机及其管道中介质的周期性振荡，是介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动。

其过程是:流量减小到最小值时出口压力会突然下降，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止;当管道中的压力恢复到原来的压力时，流量再次减少，管道中介质又产生倒流，如此周而复始，即喘振。

喘振的产生与风机和管道的特性有关，管道系统的容量越大，则喘振越强，频率越低。

流体机械产品一般都附有压力—流量特性曲线，据此可确定喘振点、喘振边界线或喘振区。

引起风机喘振的原因主要有:
(1)风机出口压力高，流量减少，当流量减少到一定程度时，便发生膨胀机风机喘振现象。

(2)风机端入口管道安装不当。

风机入口管线较长，管内阻力较大，风量减少。

(3)风道积灰堵塞或风道挡板开度不足引起系统阻力过大。

(4)风机端管道阀门关得太小。

4.2故障处理
风机的喘振会破坏膨胀机内部介质的流动规律性，产生机械噪声，引起工作部件的强烈振动，加速轴承和密封的损坏。

一旦喘振引起管道、机器及其基础共振，还会造成严重后果。

发生喘振时，风机排出压力表会剧烈振动(指表针)，同时膨胀机发出大而沉闷的响声。

风机在喘振区域工作时，流量急剧波动，产生气流撞击，使风机发生强烈的振动，噪声增大，而且风压不断晃动。

风机的容量与压头越大，则喘振的危害性越大。

为防止喘振，必须使风机在喘振区域之外运转。

(1)当发生由风机出口压力高引起的喘振时，应迅速开大风机的出口调节阀，降低风机出口压力，增加风机流量，直至喘振消失。

(2)更换合适的管道，保持风机入口管道工质流量稳定。

(3)最根本的措施是尽量避免采用具有驼峰形性能曲线的风机，而采用性能曲线平直向下倾斜的风机。

另外，将活塞式膨胀机前所配的截断式安全阀［4］配在空气轴承透平膨胀机上，可有效地防止或减少透平膨胀机的喘振和飞车造成的卡机故障。

5叶轮液击现象
5.1产生叶轮液击的原因
空分设备在启动阶段，尤其是在积液阶段，易发生透平膨胀机带液现象;另外，在投运主冷的时候(上、下塔分置的设备)，易发生膨胀机机后带液的故障。

膨胀机出口带液较多时，会使透平膨胀机损坏。

由于透平膨胀机内温度最低的部位是在工作轮的出口处，气体在透平膨胀机内膨胀，温度显著降低。

如果透平膨胀机的进气温度过低，经膨胀后，机内气体温度低于机后压力对应的液化温度，则会有部分气体在机内液化;如果膨胀轮前就带液，情况更危险。

由于透平膨胀机工作轮的旋转速度很高，一旦机内出现液体，液滴对叶片表面的撞击将加速叶片的磨损，甚至在离心力的作用下，液滴被甩到叶轮的外缘与导流器的间隙处，液体温度升高，发生急剧汽化，体积骤然膨胀，气体对导流器出口和叶轮产生强烈的冲击，严重时还会造成叶片断裂。

透平膨胀机产生液击现象的主要原因是:
(1)透平膨胀机的进气温度过低，导致气体在膨胀机内就液化。

(2)由于电网晃电，在空分设备停车后恢复生产时，液体流入塔釜过多造成液空液位过高。

(3)主冷过冷带液，导致液体进入透平膨胀机内。

5.2改进措施
当透平膨胀机内出现液体时，从机后压力表可以观察到指针不断抖动，间隙压力大幅度升高，并产生波动。

同时从机前、机后吹除阀吹出液体，透平膨胀机机后温度下降到一定程度就保持不变，机前温度持续下降。

(1)在机内产生液体时，可以通过提高机前温度、或降低转速(风机制动时)、或在机前节流等方法来解决。

(2)在空分设备启动时，如果液空液位过高，先排放部分液空，或先开空气节流阀或液空节流阀，再启动透平膨胀机。

(3)在运行时，将透平膨胀机机后温度控制
在机后压力对应的液化温度以上。

(4)在启动空分设备时，避免主冷过冷造成机前带液。

6结束语
透平膨胀机在长期的生产运行过程中，由于操作维护不当、金属损耗、超运转周期、超负荷运行等原因，总会发生一些故障。

一般情况下，设备运行参数变化都是一个渐变的过程，只要平时加强巡查，精心维护，及时发现并处理隐患，就能够避免发生大的设备事故。

但由于部件材质、制造等缺陷引发的突发故障不可控，只有通过选择质量好的设备和严把安装质量关来尽量避免故障发生。

(1)对于膨胀机高速转子的动平衡、各流道的孔径以及分布畅通、洁净的介质和达到标准的平衡实验，是设备稳定运行的前提。

(2)装配时要保证环境的洁净，应对各部件严格清洗吹净。

装配过程的正确和各部间隙达到标准，以及采用科学的测量方法，是维修过程需要严格控制的质量关键点，是实现正常开机的关键。

(3)严格遵守操作规程，尽可能地实现连续性操作是透平膨胀机能够长周期运行的必不可少的的条件。

(4)尽可能使用更加优质的轴承材料，是保证轴承运行可靠的改进方案之一。

因为在透平膨胀机的易损件中，轴承的优劣是机组可靠运行的核心。

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※※※陕鼓动力参与申报的国家973项目获审批通过
由北京化工大学高金吉院士牵头，陕鼓动力等7家单位联合申报的国家973项目暨国家重点基础研究发展计划项目———“高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究”由科技部审批通过。

此次机械制造方向共77个申报项目，历经9轮集中讨论，3轮淘汰，陕鼓动力参与的该项目脱颖而出。

此项目的获批，说明陕鼓动力已具备承担国家重大科学战略课题的科研能力，增强了公司在高端压缩机市场的影响力和竞争力。

通过项目实施，可进一步提升陕鼓动力的重大基础研究平台，夯实公司的基础科研，同时能够培养和锻炼一支富有创新能力、从事高端压缩机基础研究与核心技术发展的研究队伍，为陕鼓动力技术的可持续发展打下坚实的基础。

国家重点基础研究发展计划(973计划)是具有明确国家目标、对国家的发展和科学技术的进步具有全局性和带动性的基础研究发展计划，旨在解决国家战略需求中的重大科学问题，以及对人类认识世界将会起到重要作用的科学前沿问题，提升我国基础研究自主创新能力，为国民经济和社会可持续发展提供科学基础，为未来高新技术的形成提供源头创新。