[发明专利]诊断和控制旋转机械中旋转失速和喘振

说明书

本发明一般涉及压缩机或泵之类的具有旋转级的机械，更具体地讲，涉及遭受称为旋转失速和喘振的操作异常的机械，以及出自转子动态观点的诊断和控制这种失速和喘振的发生的方法和装置。

技术背景

旋转失速和喘振是可能在压缩机之类的旋转机械中导致出于多种原因的危险的机械损坏的重要机械现象。首先，流动线路衰减产生的转子振动可能损坏级间迷宫式密封。此外，逆流可能在叶轮叶片入口造成温度连续升高(和对应的出口压头降低)，导致喘振循环。压缩机的吸入和排放端之间的压力变化也可能造成轴向推力的迅速改变，因而导致止推轴承的损坏。另外，可能发生负载和速度的突然变化，因而对叶轮以及内部压缩和驱动组件造成有害影响。

此前，一直将旋转失速和喘振看成是空气动力学问题，并在空气动力学方面对旋转失速和喘振进行了广泛的研究。研究导致了以下通用工业定义：局部失速，级失速，失速区，喘振和旋转失速。局部失速是在叶轮或扩散器中的气流分离或逆流。级失速是在局部失速增大到一系列离心叶轮(和相关的入口和排放静止组件)中的一个在其流动横截面的一部分中经历逆流的点时。整体流动仍然是向前的加压方向。失速区是离心压缩机中遭受流量扰动和表现出失速征兆的叶轮或扩散器的任何横截面。喘振定义为周期性的流量振荡或压力摆动。如果这些振荡包括逆流，那么它是深度喘振。气流速度不足以适当地充满相邻导流叶片之间的空间。喘振沿轴向传播。旋转失速也叫作传播失速，是由覆盖数个叶片和流道的大失速区构成的。旋转失速以转子速度的几分之一沿圆周传播。失速区数量和传播速度变化很大。

此前，一直是通过监测和经过阀门改变出口压力比和／或入口压力比改变压缩机内压力流来解决旋转失速和喘振现象。此外，一直使用压力和温度的监测作为检测失速的标记。另外，对压缩机桨叶和叶片以及自转状态转子的几何形状进行机械结构上的改变。因此，尽管在空气动力学方面对旋转失速现象进行的广泛的研究，但很少有人注意这种现象的转子动态含义。因此，需要从振动诊断和转子动态角度更好地理解离心压缩机中的旋转失速。此外，需要有一种能够提供对问题的不仅仅是有关旋转失速和喘振条件的空气动力学结果的振动诊断和转子动态解决的装置和方法。

以下的现有技术反映了申请人所知的现有技术状态，并且包括在这里以尽到公开本申请人所了解的有关现有技术的责任。但是按照规定，这些参考没有一个能单独地讲授本发明，并且在以任何可以想象的组合考虑时，也不能提供与下面更为详细的说明中公开的，特别是权利要求所指出的本发明的显而易见的关系。

本发明在多个地方与现有技术不同。本发明与已知现有技术的最显著差别之一是本发明从振动诊断和转子动态观点处理旋转机械中的旋转失速和喘振。此外，本发明是一种监测称为旋转失速和喘振的操作异常的机械震动，和预测并控制这种失速和喘振发生的主动系统。作为这种主动干预的结果，在造成机械损坏之前改变这种旋转失速和喘振议程的发生。

在一个优选形式中，本发明使用了至少一对操作地耦合于旋转机器和一个处理装置的正交涡流位移传感器。传感器感测机器的旋转轴的原始动态横向振动，并向处理装置输出电信号。处理装置把电信号转换成，例如，轨道曲线图，以确定转子振动标记。然后将该标记与一个标准或范例比较，并且在机械接近比较步骤指出的失速条件时，改变轴的进动。最好通过一个轴承喷口注入流体引入流体力与旋转轴共同工作而改变轴的进动。

此外，可以将至少一个涡流位移传感器操作地耦合到机器和处理装置，用于测量，例如，机器的止推环的轴向振动的。然后，可以把这个测量值与一个标准或范例比较，并且当比较步骤指出机器接近旋转失速或喘振条件时，可以改变轴的轴向偏移。

另外，本发明提供了一种用于确定机器的复动态劲度的方法和装置，复动态劲度包括一个直接动态劲度分量和一个正交动态劲度分量。然后，可以把这两个分量用作失速警告装置，并且也可以用于诊断和纠正转子动态失稳效应。更具体地讲，可以监测直接动态劲度分量，并与一个相关于旋转失速的标准或范例比较。例如，可以监测正交动态劲度，以观测指示旋转失速的落差。此外，可以监测直接和正交动态劲度分量，以检测两个分量的零交叉点的重合性，用于诊断由于失速和喘振条件造成的失稳效应。

通过下面的对本发明的目的的讨论可以显示出本发明的工业应用性。

因此，本发明的一个主要目的是要提供一种用于在旋转机械中诊断和纠正旋转失速和喘振的新的和有用的方法和装置。