密封和间隙动力失稳故障诊断要点及其防治措施

引用 论坛出品 2016-1-27 12:17

本帖最后由 论坛出品 于 2016-1-27 12:23 编辑

二、密封和间隙动力失稳故障诊断要点

        密封和间隙动力失稳的振动特征与油膜振荡相似，根据其振动波形、频谱、轴心轨迹、进动方向及相应变化等很难区分。两者的主要区别是敏感参数不同。密封及间隙动力失稳对机器工作介质的压力及负荷变化很敏感，当负荷或压力达到某一阈值时，突然失稳，发生强烈振动。而油膜振荡则对负荷或压力不敏感，只对转速敏感，当工作转速达到某一阈值（一般为工作转速大于一阶临界转速的2倍）时，突然失稳发生强烈振动。

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三、密封和间隙动力失稳的防治措施
        其中改进密封结构避免或抑制密封和间隙动力失稳的根本途径。由于密封腔中入口气流预旋以及转子在高速旋转时对气流的摩擦带动作用引起的密封腔周向上的周期性是导致密封和间隙动力失稳的主要原因，目前，多采用下面二种方法来消耗其周向速度：

a、反旋流技术
        反旋流技术是A. Muszynska和D. E. Bently在80年代后期提出的一种设想，即从机体内引出一股高压介质，以与转子转向相反的方向注入到密封腔中，抵消密封腔气流的周向运动，如图4所示。离心压缩机出末级叶轮的气体压力很高，并带有很大的预旋。在密封入口的前几个齿腔内导入一股反向预旋的高压气流。导入的方法是在隔板上沿圆周方向装置流量控制喷嘴，喷嘴方向与转子旋转方向相反，将排气管中的高压气流引入，使它也具有一定的周向速度，从而抵消了气流在迷宫密封腔内的周向分速度，达到逐腔压力均衡的目的。据报道，只要设计得好，用这种方法减缓以致消除密封和间隙动力失稳具有明显的作用。
        但反旋流这种方法缺点是，增加了有效介质的损失和动力能源的浪费，而且计算较为困难。

图4 平衡盘入口处的反旋流装置

1.气体分配槽；2.通排气管；3.反预旋插件；4.流量控制喷嘴

        我国浙江大学的沈庆根研究了三种破坏旋流的装置，如图5所示：带有纵向翅片的反旋流环、轴向开孔的反旋流环以及堵塞旋流通路。具体见其发表的文章《迷宫密封中的气流激振及其反旋流措施》。

图5 反旋流环的四种结构

(a)径向翅片式；(b)斜向翅片式；(c)与端面成90度开孔；(d)与端面成60度开孔

b 阻尼减振密封
        即在轴向上适当定位一些插件，从而达到限制密封腔中气流的周向运动，避免不稳定问题，这种阻尼减振密封形式有多种，具有代表性的阻尼密封主要有以下几种：

(1) 圆孔窝密封：圆孔窝密封的内孔表面上，分布着许多一定深度和直径的盲孔，试验表明，圆孔窝密封的泄漏量是光滑密封的1/3，交叉刚度系数减少20％，最佳结构为：盲孔的深度与直径之比为0.34，盲孔面积之和与密封环内孔表面面积之比为0.34。

(2) 锯齿密封：锯齿密封环的内孔表面沿周向排列着许多锯齿，齿的斜方面正对着转子的旋转方向，以抑制流体的周向速度，试验表明，锯齿密封的抗泄漏性和阻尼方面，好于光滑密封，但差于圆孔密封，锯齿越多、越深、越有利于降低密封的泄漏量，但主刚度下降，齿深与半径间隙之比为2：9，齿面积占密封环内孔表面积的33％时，锯齿密封的阻尼和刚度都达到最大值。

(3) 三角形密封：三角形密封的内孔表面有三角形窝网组成，在非同步涡动状态下的研究表明，三角窝密封抗泄漏性优于蜂窝密封和光滑密封，但三角窝过深会使泄漏量增加，存在一个最佳结构，可使泄漏量最小。和光滑密封相比，它可以有效地降低密封腔中流体的周向速度，有利于转子的稳定运行。

(4) 菱窝密封：菱窝密封的内孔表面由菱形凹槽构成，方槽窝密封可有效减少密封腔中流体的周向速度，增加了转子的稳定性，如将方形凹槽制成交错连通的网格，则可以使密封腔压力分布比较均匀。

(5) 蜂窝密封：蜂窝密封由六边形小蜂窝孔组成，期中六边形蜂窝孔的对边距离为0.8-6mm，蜂窝深度为1.6-6mm.试验结果表明，蜂窝的尺寸对密封的动力特性系数有较大的影响，蜂窝密封产生主阻尼和刚度很大，稳定性更好。

图6 蜂窝密封

(6) 刷式密封：刷式密封的内孔表面由大量按一定方向排列，可塑的，圆截面的细丝构成的鬓刷式结构，细丝的直径为0.051～0.076㎜，相对轴的旋转方向斜一定的角度，一般用于气体介质密封。刷式密封的研究始于80年代，最初用于军用飞机的发动机。工作状态时密封刷的有效厚度是变量，使得其估算泄漏量和评价制造质量成为难题，同时刷子断丝及细刷丝的最佳分布等问题，尚缺乏一个比较清晰的认识。

图7 刷式密封

四、诊断实例
        例：某厂的一台高压离心空气压缩机由蒸汽透平和高、低压缸组成，高压缸轴端密封采用迷宫密封，为尽量减少气体泄漏，采用了较长的密封装置，如图8所示。

图8 原密封装置

        机组投运初期，机组负荷约为95％左右，振动比较正常。后因装置挖潜提产需要，机组经常在100负荷下工作，经常出现突发性剧烈振动，特别是轴承壳体振动异常高。每次振动异常后，稍降负荷振动便会下降到正常水平，而一旦恢复高负荷运行，便又会出现上述异常振动，时间上无规律。
        诊断意见：根据上述振动症兆，确认发生强烈振动的原因为轴端梳齿密封动力失稳所产生的激振力激发造成失稳导致的。
        生产验证：为了消除压缩机的异常振动，将轴端密封改为图9所示的结构，扩大齿距，并从扩压器至密封中间部位沿圆周开了8个孔，直接引出压力气流，减缓密封内转子四周的压力脉动，缓解转子产生涡动的自激力。

图9 改进后的密封装置

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