密封和间隙动力失稳故障诊断要点及其防治措施

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本文由声振论坛根据fengchunlijdb提供的文章《振动故障诊断要点汇总》并结合网络上的相关文章和资料整理而成。

        密封和间隙动力失稳（密封间隙流体激振）是燃气轮机、汽轮机、离心压缩机等叶轮机械普遍存在而不易解决的问题。随着叶轮机械向着高效、稳定、大功率方向的发展，密封和间隙动力失稳的危害日益突出。降低密封间隙的泄漏量，抑制密封和间隙动力失稳，确保机组运行的稳定性，已成为现代叶轮机械发展的关键技术之一。

一、密封和间隙动力失稳机理
        大型叶轮机械的轴端密封和级间密封常用迷宫式密封（又称梳齿密封）。气体在迷宫密封中的流动是一种复杂的三维流动。当转子因挠曲、偏磨、不同心或旋转产生涡动运动时，密封腔内的周向间隙将会不均匀，即使密封腔内人口处的压力周向分布是均匀的，在密封腔的出口处也会形成不均匀的周向压力分布，从而产生一个作用于转子上的合力，此激振力会导致转子运动失稳，发生异常振动。

        目前关于密封和间隙动力失稳的产生机理有两种观点：
        第一种观点：一般认为，由于Lomakin效应、Alford效应、螺旋形流动效应、三维流动效应、二次流效应等造成迷宫密封腔压力沿周向分布不均匀。当气流进入密封体时，不仅以很大的轴向速度通过各腔，而且在轴的带动下具有很大的周向速度，所以气流在密封体内是以螺旋的形式向外流动的。另外，由于轴系因制造等因素导致与密封齿在圆周上间隙的不一致，密封腔中的螺旋形流动使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间的间隙变化不完全对应，最高压力点滞后密封腔最小间隙一定角度，这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏置方向相垂直的切向力，该切向力将激励转子产生涡动，当激振力超过一定值时，就会使转子产生强烈的振动。

        第二种观点：研究人员从流体弹性耦合的角度认为，密封腔中的流体在转子的干扰下，形成脉动的流场，该流场又激励转子振动。在一定条件下，当流场脉动频率与转子的某阶固有频率相耦合时，将会产生强烈的自激振动。试验表明，梳齿迷宫密封气流激振力的特点是：
        a. 密封腔中气流周向速度分量是产生气流激振力的主要原因，密封腔中气流周向速度分量是由进汽预旋和转子旋转所产生的，周向速度增加，直接导致密封的交叉刚度系数迅速增大，从而使气流激振力增大。
        b. 气流激振力与密封间隙呈反比例关系。密封间隙的减小，将直接导致密封交叉刚度系数增大，不利于转子的稳定运动。
        c. 气流激振的频率一般不高于转速频率，接近一阶频率。
        d. 气流激振力与转子偏心量是线性关系，正是由于偏心问题存在而导致气流激振的产生，当偏心越大时，所产生激振力越大，轴的振动亦越大。
        e. 气流激振力随介质的增大而近似呈线性关系。

        如图1所示，在迷宫密封中，密封装置前后压力分别为p1及p3，密封腔内的压力p2取决于p1, p3及密封齿隙δ1、δ2。假设由于制造及安装误差，转子在密封腔中倾斜时（δ1＞δ2），若转子因受初始扰动而处于涡动状态，转子与定子之间的密封间隙会发生周期性变化。当转子向着定子作径向运动时，密封腔的排出端和入口端间隙均缩小，但是排出端原来的间隙较小，因此相对间隙缩小率比入口端更大一些，这样密封腔中流人的气量大于流出的气量，由于气体的积聚而使腔中压力p2 升高，形成一个在图中向下作用于转子的力。当转子离开定子作径向运动时，密封腔排出端相对间隙比入口端扩大得更快，腔中流出气量大于流入气量，压力下降，形成一向上的作用力。因此作用在转子上的力是两者的叠加。

图1 迷宫密封腔中气流压力变化

        但是密封腔中的压力变化并不与转子位移同相位，而是滞后于转子位移一个ө角（如图2所示）。如果转子自身旋转速度为ω，涡动角速度为Ω，当转子从底部向左方向涡动一个θ角时，由于压力变化滞后于转子位移，则气流压力在转子周向上的分布是底部最大，顶部最小，其合力为F，则其分为Ft始终作用在转子的涡动方向上，此切向力即是加剧涡动的激振力。

图2 密封装置中的气体动力效应

        在上述过程中，转子振动的位移y与密封腔中压力p1的变化曲线在的半周t=(1/4~3/4)T的半周内，密封腔内力p1始终低于其平均值；反之，在另一半周内则始终高于其平均值。因此，在这一振动过程中，气流对密封装置是输入功的，密封装置的气体动力激振力为自激因素。

        另外，气流流动时的惯性力远远超过摩擦力，由于气流进入密封腔后动能不能完全损失掉，还有一定的余速，这部分速度不仅使气流沿轴向流动，而且还以很大的圆周速度分量围绕转子转动，即形成“螺旋形”流动［图3(a)］。如果密封腔内径向间隙不均匀，则气流在腔中从进口流向出口时随着截面间隙的不断变化，气流沿其流动方向上的压力也不断发生变化，因而在转子周围形成不均匀的压力分布，其合力F的方向垂直于转子的位移方向，与转子的旋转方向相同，此力激励转子作向前的正进动运动。

图3 气体在密封腔内的旋转效应

        与此类似，常见的高速、高压旋转机械中，蒸汽透平是靠气流推动叶片转动的，离心式压缩机是由叶片推动气流旋转的，但二者有一点是相同的，即当转子发生弯曲时，叶轮会偏向内腔一侧，叶轮在内腔的间隙一边大，一边小，在这种情况下，气流加于叶片的圆周力在间隙大的一侧大于间隙小的一侧［图3 (b)］，各叶片所受周向力的总和除力偶外，还有垂直于轴O′的位移OO′的力Ft，这个力使转子失稳而产生涡动。

        由于Mt随介质压力及负荷的增加而增大，所以当介质压力及负荷增加而使Ft，达到一阈值时，就可能产生自激振动。

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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