压缩机气动类案例：某厂冷剂压缩机气体激振故障分析

1、设备概述

混合冷剂压缩机，由变频电机驱动，工作机为3BCL706离心式压缩机，三段压缩，电机和压缩机中间有增速箱。机组运行时转速为8599r/min，设计一阶临界转速为3345r/min，二阶临界转速为13407 r/min。压缩气体介质为混合冷剂，平均分子量在35左右，入口压力为0.3582MPa(A)，出口压力为4.287 MPa(A)，振动的报警门限为63.5μm，联锁门限为88.9μm。机组正常运行时，防喘振阀门均处于关闭状态。

图1 冷剂压缩机组轴系图

图2 冷剂压缩机组气路图

2、故障现象

机组正常运行过程中，压缩机四个通道振动幅值存在频繁波动的现象，其中非驱动端VIA_22421BX通道幅值从28μm-51μm左右频繁波动，振动幅值偏高且波动范围较大，其它3个通道也存在波动现象。查看以往趋势，当机组转速提升（负荷增加）过程中，压缩机振动幅值有明显上涨且波动幅度更高的现象，最高时曾接近75μm，远超振动报警门限，接近联锁跳车门限。据现场反馈，此现象在以往运行时已多次重复出现。

图3 机组正常运行时振动趋势图

图4以往转速调整时（22421BX通道）振动趋势图

3、故障分析及结论

2020年9月23日，利用离线分析仪在现场测取振动信号。从频谱图中可以看出，机组的工频成分为143.203Hz，并伴随2X、3X等倍频成份，幅值均不高；但在低频（小于1X）区，51.7188Hz频率成分幅值较高，且在实时测量过程中观察到，1X成分幅值始终比较稳定，而51 Hz左右这个频率成分幅值始终存在上下波动现象，甚至偶尔会出现其幅值超过1X幅值的现象。

利用离线仪在现场检测期间虽未采集到振动上涨的过程，但根据振动特征推测，该机组以往出现的振动上涨及大幅波动现象，其异常变化的频率成分主要为51Hz左右这个频率。

图5 机组正常运行时频谱图

图6 机组正常运行时频谱图

查看该压缩机以往在启机和停机时振动随转速变化的趋势，当振动出现峰值时其对应的转速分别为3177r/min和3165r/min，由此判断该压缩机的实际临界转速区间在3100r/min（51.66Hz）左右，与初始设计给出的3345r/min稍有偏离。

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图7 机组启机时压缩机振动趋势图

图8 机组停机时压缩机振动趋势图

压缩机两端轴心轨迹图中，轴心轨迹未呈规则形态，重复性一般，表征转子在轴承内涡动稳定性较差。

图9 压缩机两端轴心轨迹图

诊断结论：

通过比较，压缩机的振动异常频率与转子的一阶临界固有频率非常接近，以往运行时，曾多次出现在转速/负荷提升时振动出现不稳定的现象；另外，该机组介质为冷剂，其组分比较大、机组压比比较高，综合上述振动特征，分析该冷剂压缩机出现振动异常的原因为机组存在气体激振类故障。

气体激振又称密封流体激振，其发生的原因大多是由于压缩机内部密封腔内的周向间隙不均匀，使转子在运转过程中受到密封气流激振力的作用，导致转子失稳。

此故障在振动上的表现为：

振动趋势不稳定，振动可能会在几秒内被激发出来，而且激发后振幅值较大；
异常振动的主要特征频率与转子一阶固有频率吻合或接近；
振值对负荷变化敏感，当压力或负荷达到某一阈值时突然失稳；
振动和负荷之间具有一定的重复性，再现性强；

4、运行及检修建议

根据现场反馈，该机组以往运行时曾出现过喘振现象，且转子在轴向出现了较大的窜动量，由此推测压缩机内部密封可能出现了较为严重的磨损，导致其周向间隙不均匀。而气体激振这类问题，气流的失稳力主要就来自于叶轮口圈密封和平衡盘密封处。当前机组运行时，需密切注意机组的转速和负荷，尽量避免在振动出现不稳定的转速及负荷下运行。待有机会检修时，需对压缩机进行拆解，检查各部密封磨损情况，并对磨损的密封进行更换。

针对压缩机出现的气体激振类问题，若想彻底消除该问题，可通过以下的改造方案彻底解决：

（1）采用反旋流装置，减小平衡盘、口圈密封内气体的切向速度（预旋比），典型的有在平衡盘密封处增加反吹孔，如图10、图11所示；在口圈密封处增加阻旋栅，如图12所示。