診斷和控制旋轉機械中旋轉失速和喘振的製作方法
2023-10-17 21:21:34
專利名稱：診斷和控制旋轉機械中旋轉失速和喘振的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及壓縮機或泵之類的具有旋轉級的機械，更具體地講，涉及遭受稱為旋轉失速和喘振的操作異常的機械，以及出自轉子動態觀點的診斷和控制這種失速和喘振的發生的方法和裝置。
背景技術：
旋轉失速和喘振是可能在壓縮機之類的旋轉機械中導致出於多種原因的危險的機械損壞的重要機械現象。首先，流動線路衰減產生的轉子振動可能損壞級間迷宮式密封。此外，逆流可能在葉輪葉片入口造成溫度連續升高(和對應的出口壓頭降低)，導致喘振循環。壓縮機的吸入和排放端之間的壓力變化也可能造成軸向推力的迅速改變，因而導致止推軸承的損壞。另外，可能發生負載和速度的突然變化，因而對葉輪以及內部壓縮和驅動組件造成有害影響。
此前，一直將旋轉失速和喘振看成是空氣動力學問題，並在空氣動力學方面對旋轉失速和喘振進行了廣泛的研究。研究導致了以下通用工業定義局部失速，級失速，失速區，喘振和旋轉失速。局部失速是在葉輪或擴散器中的氣流分離或逆流。級失速是在局部失速增大到一系列離心葉輪(和相關的入口和排放靜止組件)中的一個在其流動橫截面的一部分中經歷逆流的點時。整體流動仍然是向前的加壓方向。失速區是離心壓縮機中遭受流量擾動和表現出失速徵兆的葉輪或擴散器的任何橫截面。喘振定義為周期性的流量振蕩或壓力擺動。如果這些振蕩包括逆流，那麼它是深度喘振。氣流速度不足以適當地充滿相鄰導流葉片之間的空間。喘振沿軸向傳播。旋轉失速也叫作傳播失速，是由覆蓋數個葉片和流道的大失速區構成的。旋轉失速以轉子速度的幾分之一沿圓周傳播。失速區數量和傳播速度變化很大。
此前，一直是通過監測和經過閥門改變出口壓力比和／或入口壓力比改變壓縮機內壓力流來解決旋轉失速和喘振現象。此外，一直使用壓力和溫度的監測作為檢測失速的標記。另外，對壓縮機槳葉和葉片以及自轉狀態轉子的幾何形狀進行機械結構上的改變。因此，儘管在空氣動力學方面對旋轉失速現象進行的廣泛的研究，但很少有人注意這種現象的轉子動態含義。因此，需要從振動診斷和轉子動態角度更好地理解離心壓縮機中的旋轉失速。此外，需要有一種能夠提供對問題的不僅僅是有關旋轉失速和喘振條件的空氣動力學結果的振動診斷和轉子動態解決的裝置和方法。
以下的現有技術反映了申請人所知的現有技術狀態，並且包括在這裡以盡到公開本申請人所了解的有關現有技術的責任。但是按照規定，這些參考沒有一個能單獨地講授本發明，並且在以任何可以想像的組合考慮時，也不能提供與下面更為詳細的說明中公開的，特別是權利要求所指出的本發明的顯而易見的關係。
本發明在多個地方與現有技術不同。本發明與已知現有技術的最顯著差別之一是本發明從振動診斷和轉子動態觀點處理旋轉機械中的旋轉失速和喘振。此外，本發明是一種監測稱為旋轉失速和喘振的操作異常的機械震動，和預測並控制這種失速和喘振發生的主動系統。作為這種主動幹預的結果，在造成機械損壞之前改變這種旋轉失速和喘振議程的發生。
在一個優選形式中，本發明使用了至少一對操作地耦合於旋轉機器和一個處理裝置的正交渦流位移傳感器。傳感器感測機器的旋轉軸的原始動態橫向振動，並向處理裝置輸出電信號。處理裝置把電信號轉換成，例如，軌道曲線圖，以確定轉子振動標記。然後將該標記與一個標準或範例比較，並且在機械接近比較步驟指出的失速條件時，改變軸的進動。最好通過一個軸承噴口注入流體引入流體力與旋轉軸共同工作而改變軸的進動。
此外，可以將至少一個渦流位移傳感器操作地耦合到機器和處理裝置，用於測量，例如，機器的止推環的軸向振動的。然後，可以把這個測量值與一個標準或範例比較，並且當比較步驟指出機器接近旋轉失速或喘振條件時，可以改變軸的軸向偏移。
另外，本發明提供了一種用於確定機器的復動態勁度的方法和裝置，復動態勁度包括一個直接動態勁度分量和一個正交動態勁度分量。然後，可以把這兩個分量用作失速警告裝置，並且也可以用於診斷和糾正轉子動態失穩效應。更具體地講，可以監測直接動態勁度分量，並與一個相關於旋轉失速的標準或範例比較。例如，可以監測正交動態勁度，以觀測指示旋轉失速的落差。此外，可以監測直接和正交動態勁度分量，以檢測兩個分量的零交叉點的重合性，用於診斷由於失速和喘振條件造成的失穩效應。
通過下面的對本發明的目的的討論可以顯示出本發明的工業應用性。
因此，本發明的一個主要目的是要提供一種用於在旋轉機械中診斷和糾正旋轉失速和喘振的新的和有用的方法和裝置。
本發明的進一步的目的是要提供一種上述特徵的方法和裝置，其確定機械的直接動態勁度分量以開發出一種旋轉失速預報器。
本發明的另一個目地是要提供一種上述特徵的方法和裝置，其確定機械的復動態勁度，以開發出一種旋轉失速和喘振預報器。
本發明的再一個目的是要提供一種上述特徵的方法和裝置，其利用來自一個振動監測裝置的信號以控制旋轉失速。
本發明的再一個目的是要提供一種上述特徵的方法和裝置，其利用來自一個振動監測裝置的信號以控制喘振。
本發明的再一個目的是要提供一種上述特徵的方法和裝置，其利用來自一個振動監測裝置的信號，以提供即時振動抑制，防止轉子和／或密封系統損壞。
本發明的再一個目的是要提供一種快速動作控制系統，該系統通過特別監測一個壓縮機軸的機械震動(軸偏移)，並利用監測的信號提供直接機械動作，以在機械接近失速或失穩條件時改變軸的偏移。
本發明的再一個目的是要提供一種控制系統，該系統監測轉子動態異常，以替代地或附加地提供一個控制信號，利用該控制信號提供對於壓縮機的驅動速度或吸入／排放壓力之類的旋轉機械變量的改正動作。
從第一優點看，本發明的一個目的是要提供一種在一個具有一定流體通量的軸承支撐的旋轉機器中避免失速的診斷和改正方法，該方法包括步驟監測機器繞其旋轉的軸的偏移；將該偏移與一種標準比較，並當比較步驟指出機器接近失速時改變軸的偏移。
從第二優點看，本發明的一個目的是要提供一種用於調諧旋轉機器以預防失速的方法，該方法包括步驟在機器中誘發失速，以確定該機器的失速特性；記錄至少導致失速條件的失速特性；對照記錄的失速特性監測該機器，並在下一個失速開始前改正機器參數。
從第三優點看，本發明的一個目的是要提供一種失速預防裝置，該裝置包括以下部分的組合一個具有一個軸的旋轉機器；操作地耦合於旋轉機器的監測裝置；一個操作地耦合於機器用於改變機器參數的裝置，和插在監測裝置和改變機器參數的裝置之間以便在接收到預失速條件指示時啟動改變機器參數裝置的處理裝置。
從第四優點看，本發明的一個目的是要提供一種用於在旋轉機器中診斷和控制旋轉失速的裝置，該裝置包括以下部分的組合用於感測有關軸進動的原始動態機器振動信號的裝置；用於將信號與機器失速條件範例比較的裝置；用於在比較步驟指出機器接近失速條件時改變軸進動的裝置。
從第五優點看，本發明的一個目的是要提供一種在一個具有一定流體通量的軸承支撐旋轉機器中防止失速的診斷和改正方法，該方法包括步驟監測機器繞其旋轉的軸的偏移；計算機器的直接動態勁度分量；作為直接動態勁度分量中的落差的函數，改變軸的偏移。
在結合附圖考慮下面的詳細說明時，可以使這些和其它目的更為清楚。
圖1是根據本發明的一種防止失速的方法的總體方框圖；圖2是根據本發明的一種防止失穩效應的方法的總體方框圖；圖3是根據本發明的一種防止失速的方法的總體方框圖；圖4是根據本發明的一種通過觀察壓力圖防止失速的方法的總體方框圖；圖5是根據本發明的一種防止喘振的方法的總體方框圖；圖6是一種為後續使用建立機器穩定性餘量的方法的總體方框圖；圖7是根據本發明的一種裝置的示意圖；圖8是由一對正交渦流位移傳感器感測的振動信號的軌道表示，和由一機械相位傳感器感測的機械相位參考標誌；圖9是直接動態和正交動態勁度分量的動態勁度曲線圖的圖形表示。
執行本發明的最佳模式參考附圖，其中在各附圖中所有的相同參考號代表相同的部件，參考號10代表根據本發明的裝置和方法。
參考附圖，在本質上本發明提供了一種用於通過測量機器的動態勁度並計算直接動態勁度和／或正交動態勁度以用作不穩定性警告裝置和用作診斷和糾正轉子動態失穩效應的診斷和糾正旋轉機器中失穩效應的方法和裝置。對於有關診斷的異常採取糾正動作，這些動作特別可以是以下形式提高軸承的勁度，增大通過機器M的流量，降低排放壓力和／或施加引起與測量的機器振動相反的響應的力。
本發明優選包括一個監測機器振動以獲得稱為旋轉失速和喘振的操作異常情況，並預測、控制和抑制這種失速和喘振異常發生的主動控制系統20。主動控制系統最好包括多個液壓伺服軸承40，液壓伺服軸承40引導流體通過每個液壓軸承的入口，從而使流體壓力「F」能夠施加到機器M的轉子軸S。可以在機器M的內側和外側成對使用伺服軸承40。此外，可以在鄰近機器M的止推軸承位置安裝一個組合的徑向止推伺服軸承50，用於在徑向和軸向和引導流體，分別抑制旋轉失速和喘振。在1996年12月4日申請的序列號為08／759415，名稱為「支撐旋轉裝置的流體靜力軸承，與之相關的流體作業系統，其控制系統，方法和裝置」的美國專利申請中可以發現優選的液壓伺服軸承40，50的示例說明，其整體內容結合於此作為參考。
控制系統20提供操縱伺服軸承的控制信號，以便控制通過通向轉子軸S與固定液壓軸承之間公隙的入口，和通過至少一個通向機器的止推環的入口的流體流量，以在其上相互作用。流體在主動控制和抑制旋轉失速和喘振的同時，抑制機器的徑向和軸向振動。
此外，本發明提供了一種用於通過監測動態橫向軸進動，和將這種進動與一種標準或範例比較，並在比較步驟指出機器接近失速條件時改變該進動，而診斷和糾正旋轉機器中氣動力的失穩效應的方法和裝置。優選控制系統20包括一個軸向監測裝置26，用於監測軸向振動，然後將動態軸向振動與一種標準或範例比較，並且在比較步驟指出機器接近失速或喘振條件時改變軸向振動。也可以把本發明用於設計具有大失速餘量機器所用的樣機。
參考圖1，2和7，將一對，或模式識別所需數量的正交渦流位移傳感器22，24操作地耦合於機器M，測量橫向軸進動。傳感器的輸出是振動或機器M的軸的振動的變化速率的連續電信號。傳感器也耦合於一個處理器／控制器20，以便收集、存儲和簡化有關橫向軸進動的振動數據。
除了正交傳感器之外，最好把一個機械相位傳感器28操作地耦合於機器M，用於感測有關，例如，機器M的旋轉軸的機械相位參考標誌。最好把這個相位傳感器用於確定機器的速度(RPM)，和用於使旋轉軸的機械角度與正交傳感器22，24的電信號相關聯，或與所有必要的傳感器相關聯。
因此，可以通過機械相位傳感器28監測機器的速度，並且可以利用該對正交渦流位移傳感器22，24監測包括振動頻率在內的機器振動。此外，可以把一個力傳感器29操作地耦合到處理器／控制器30，並安裝在機器的至少一個軸承40的外殼上，用於測量擾動力。然後，可以確定擾動力的幅度和相位，以提供足夠的信息來計算機器的復動態勁度，復動態勁度包括直接動態勁度(DDS)和正交動態勁度(QDS)。作為選擇，擾動力的幅度和相位可以經過實驗數據預先確定。對於一特定操作速度的復動態勁度是用擾動力矢量(FPerturbation)除以響應矢量(RResponse)確定的。例如，FPerturbationRResponse=KDirect+jKQuadrature]]>和KQ=j(ω-λΩ)D其中ω=轉子進動速度；
λ=由於流體被軸拖動旋轉而造成的流體圓周平均速率；Ω=轉子速度；D=阻尼係數；和KD=KT-ω2m其中KT=系統的總彈性勁度(操作條件下的機械勁度加空氣動力勁度)；ω=轉子進動速度；m=系統質量。
更具體地講，直接動態勁度(DDS)是直線作用於輸入力矢量的動態勁度的分量，正交動態勁度(QDS)是垂直作用於輸入力矢量的動態勁度的分量。因此，直接動態勁度和正交動態勁度分量可以通過處理裝置30計算。通過監測直接動態勁度和正交動態勁度的同時零轉換可以把計算的分量用作轉子動態不穩定性警告裝置(請見圖2)。因此，可以監測直接動態勁度和正交動態動態勁度的零值獲得零重合臨界點，即，相互重疊的零，並且如果達到了臨界點，那麼可以採取糾正動作。此外，參考圖1，在與，例如，一種標準的比較中可以把直接動態勁度分量的落差指定用作失速警告裝置。
最好也把至少一個渦流位移傳感器26操作地耦合到機器M，測量軸向振動。把軸向振動監測裝置操作地耦合到用於收集、存儲和簡化與軸向軸振動相關的軸向軸振動數據的處理裝置或數據捕獲和簡化系統30。
參考圖7和8，可以處理從正交渦流位移傳感器22，24對的輸出，以獲得軌道數據曲線圖。軌道曲線圖將軸中心線的路徑表示為一個正交傳感器的AC電壓(振動信號)圖。軌道曲線圖提供了有關振動幅度，徑向預負載方向，軸進動方向，和絕對及相對相位角的信息。進動是相對於進動方向的振動的運動，進動方向是通過標註振動的最高峰值首先通過的那個傳感器，X或Y，從一個時基曲線圖確定的。如果，在其法線方向，軸上任意一點將首先通過該相同的傳感器，那麼進動是向前的。如果不是，那麼進動是反向的。因此，可以把監測的機器速度和包括進動頻率的機器振動與預定的機器標準比較。然後，在比較步驟指出機器接近失速時，可以改變軸進動(請見圖3)。
參考附圖，在使用和操作中，本發明提供了一種可以利用活動軸承或伺服軸承40抑制壓縮機中旋轉失速造成的振動，並且能夠從用於控制活動軸承的控制系統信號提取有關轉子系統振動狀態的信息的旋轉失速抑制和控制系統20。這可以包括對不平衡和包括旋轉失速造成的振動在內的任何其它可能發生的非同步振動的1X響應。
活動控制軸承將執行旋轉失速造成的轉子振動的即時抑制。與此同時，處理器／控制器模塊30可以分析控制信號。這個模塊將利用，例如，一個低通或帶通跟蹤濾波器觀察準同步控制信號。可以將這個模塊的輸出用於執行多種任務。例如，可以把一個信號發送到喘振控制閥啟動器34，啟動器34打開喘振控制閥35，因而在使壓縮機操作點離開失速點時增大壓縮機流量。與此同時，可以向操作人員發送一個信號警報32，用聲音提醒機器操作人員壓縮機中發生了準同步振動。這種類型的系統優於現有旋轉失速控制系統之處在於，一旦檢測到失速，可以立即抑制由於失速造成的橫向振動，從而預防了轉子損壞。然後，喘振控制閥34的啟動將消除旋轉失速。
此外，可以利用一個喘振閥位置優化器36主動地控制喘振閥的位置，使壓縮機操作剛好保持在旋轉失速點之前。這可以用一個比活動軸承速度相對低速的控制器進行。
動態壓力傳感器可以用來提供有關振動原因的額外信息。因此，可以用壓力傳感器確認旋轉失速已經發生，然後控制系統可以採取行動，或在必要時發出通知。因此，可以用來自振動控制系統的信號控制旋轉失速，和提供即時振動抑制，以防止轉子和／或密封系統損壞。
參考圖1，7和9，處理器／控制器30可以經過感測參考標誌27的相位傳感器28和傳感器22，24分別監測RPM和機器振動。可以把這種信息與實驗或經過力傳感器29確定的擾動力一起用於確定直接動態勁度分量KD。然後，可以監測直接動態勁度，以獲得有關失速的落差，和／或與一種標準比較。接著，可以採取糾正動作，特別是通過提高軸承勁度，增加通過機器M的流量，減小排放壓力，和／或經過伺服軸承40和／或反抗機器振動的組合軸承50向旋轉軸施加流體力。
參考圖2，7和9，可以如上述那樣用處理器／控制器30計算Kdirect(KD)和Kquadrature(KQ)分量。可以監測這兩個分量，並且在分量達到零重合的臨界點時，通過，特別是，經過軸承提高Kdirect採取糾正行動。
參考圖3，處理器／控制器30可以用於經過相位傳感器28和傳感器22，24分別監測RPM和包括頻率的機器振動。機器速度(RPM)和振動頻率可以與一個預定的標準比較，以確定機器是否進入失速，然後，作為比較的函數採取糾正動作。糾正動作可以採取，例如，降低RPM，經過伺服軸承40，50施加與測量力的相位相差180度的力的形式。
參考圖4，可以用處理器／控制器30觀察來自機器速度和包括頻率的振動的處理的壓力圖形。然後，可以把這些壓力圖形與一種標準比較，並根據比較步驟，採取糾正行動，例如，增大通過機器的流量。
作為選擇，參考圖5，處理器／控制器30可以經過壓力傳感器52和54監測機器的吸入和排放壓力。可以把吸入排放比(吸入／排放)與一種標準比較，並且如果該比率接近有關一種不穩定條件，例如喘振，的值，那麼可以採取糾正動作，例如降低排放壓力。
參考圖6，可以通過監測達到並把機器帶入旋轉失速和／或喘振條件的機器速度，包括頻率的振動，吸入壓力，排放壓力和施加到機器的擾動力確定範例或標準。然後，可以把這個數據存儲在處理器／控制器30的存儲器中，並在以後的使用中用作一種標準。
此外，儘管如此說明了本發明，但是應當知道可以採用許多結構改進和改造，而不脫離上面提出的和以下權利要求說明的本發明的範圍和完整意義。
權利要求
1．一種在一個具有一定流體通量的軸承支撐的旋轉機器中防止失速的診斷和糾正方法，該方法包括步驟監測一個機器繞其旋轉的軸的偏移；把偏移與一種標準比較，和在比較步驟指出機器接近失速時改變軸的偏移。
2．根據權利要求1所述的方法，進一步包括監測軸的旋轉速度的步驟。
3．根據權利要求2所述的方法，其中監測軸偏移的步驟包括監測包括其頻率的機器振動。
4．根據權利要求3所述的方法，其中比較步驟進一步包括計算機器的直接動態勁度分量的步驟。
5．根據權利要求4所述的方法，其中改變步驟進一步包括作為所述直接動態勁度分量中落差的函數改變軸的偏移的步驟。
6．根據權利要求4所述的方法，其中比較步驟進一步包括計算機器的正交動態勁度分量的步驟。
7．根據權利要求6所述的方法，其中改變步驟進一步包括作為直接和正交動態勁度分量的零交叉點的重合的函數改變軸的偏移的步驟。
8．根據權利要求1所述的方法，其中改變步驟進一步包括在控制信號的指導下從至少一個閥把流體力引導到機器的旋轉軸的步驟。
9．根據權利要求1所述的方法，其中監測軸偏移的步驟包括監測軸的橫向進動。
10．根據權利要求9所述的方法，進一步包括把橫向軸進動轉換成電信號的步驟。
11．根據權利要求10所述的方法，進一步包括處理所述電信號以標識有關旋轉機器中失穩條件的振動標記頻率的步驟。
12．根據權利要求11所述的方法，其中改變步驟進一步包括在控制信號的指導下從至少一個閥將流體力引導到機器旋轉軸的步驟。
13．根據權利要求12所述的方法，其中旋轉機器是一個壓縮機。
14．一種用於調諧旋轉機器以預防失速的方法，該方法包括步驟將失速引入機器以確定機器的失速特徵；記錄至少導致失速條件的失速特徵；相對於記錄失速特徵監測機器，和在一個後續失速開始前糾正機器參數。
15．根據權利要求14所述的方法，進一步包括通過對多個不同速度的輸入擾動力的頻率的前向轉子響應分量濾波，計算非同步動態勁度的步驟。
16．根據權利要求15所述的方法，進一步包括通過獲得擾動力與多個旋轉速度的濾波前向轉子響應分量比率，確定非同步動態勁度的步驟。
17．根據權利要求16所述的方法，進一步包括從非同步動態勁度確定直接動態勁度分量的步驟。
18．根據權利要求16所述的方法，進一步包括從非同步動態勁度確定正交動態勁度分量的步驟。
19．根據權利要求17所述的方法，進一步包括把直接動態勁度分量用作警告參數的步驟。
20．根據權利要求18所述的方法，進一步包括把直接動態勁度和正交動態勁度分量都用作不穩定性警告參數的步驟。
21．根據權利要求16所述的方法，進一步包括確定壓縮機運行狀態與停止狀態的非同步動態勁度之間的差，代表用作不穩定性警告參數的空氣動力地引起的動態勁度的步驟。
22．一種失速預防裝置，包括以下部分的組合一個包括一個軸承的旋轉機器；操作地耦合到所述旋轉機器的監測裝置；操作地耦合到機器用於改變機器參數的裝置，和插入在所述監測裝置和所述改變所述機器參數的裝置之間，使所述裝置能夠在遇到預失速條件指示時改變所述機器參數的處理裝置。
23．根據權利要求22所述的裝置，其中所述監測裝置包括用於監測橫向軸進動的裝置。
24．根據權利要求23所述的裝置，其中所述橫向軸進動監測裝置包括一對操作地耦合到機器以測量所述橫向軸進動的正交渦流位移傳感器。
25．根據權利要求24所述的裝置，其中所述處理裝置包括一個操作地耦合到所述正交渦流位移傳感器對，用於收集、存儲和簡化有關橫向軸進動的振動數據的數據捕獲和簡化系統。
26．根據權利要求25所述的裝置，其中所述監測裝置進一步包括用於監測軸向軸振動的裝置。
27．根據權利要求26所述的裝置，其中所述軸向振動監測裝置包括至少一個操作地耦合到機器以測量所述軸向軸振動的渦流位移傳感器。
28．根據權利要求27所述的裝置，其中所述軸向振動監測裝置操作地耦合到所述用於收集、存儲和簡化有關軸向軸振動的軸向軸振動數據的數據捕獲和簡化系統。
29．一種用於診斷和控制旋轉機器中旋轉失速的裝置，所述裝置包括以下部分的組合用於感測有關軸進動的原始動態機器振動信號的裝置；用於把所述信號與一個機器失速條件的範例比較的裝置；用於在比較步驟指示機器接近失速條件時改變軸進動的裝置。
30．一種在一個具有一定流體通量的軸承支撐的旋轉機器中防止失速的診斷和糾正方法，該方法包括步驟監測一個機器繞其旋轉的軸的偏移；計算機器的直接動態勁度分量；作為所述直接動態勁度分量中落差的函數改變軸偏移。
31．根據權利要求30所述的方法，其中改變步驟進一步包括在控制信號的指導下把流體力從至少一個閥引導到機器的旋轉軸，以改變軸的偏移，從而預防了機器的失速條件的步驟。
全文摘要
本發明提供了一種用於通過在一個比較步驟指示機器接近失穩條件時監測動態軸進動診斷和糾正旋轉機器20中旋轉失速和喘振的方法和裝置。也提供了軸向振動監測裝置26,用於監測並且把機器的動態軸向振動與一個標準比較,和在機器接近失穩條件時改變軸向振動。此外,本發明測量機器的復動態勁度,計算直接動態勁度和正交動態勁度,並通過監測直接動態勁度和正交動態勁度分量中的落差,用作失穩警告裝置。一個改變旋轉失速和/或喘振的實施例是利用一個受控活動伺服軸承40。
文檔編號G01M13/00GK1291123SQ99803023
公開日2001年4月11日 申請日期1999年2月18日 優先權日1998年2月19日
發明者唐納德·E·本特利 申請人:本特利內華達有限公司