一種離心葉輪受迫振動抑制系統及其控制方法
【專利摘要】本發明主要涉及一種離心葉輪受迫振動抑制系統。該系統包括離心壓縮機，所述離心壓縮機的葉輪前方為機殼蓋板，所述機殼蓋板構成吸氣通道，所述吸氣通道外周面上設有環形集氣腔，所述環形集氣腔上設有與進氣通道相通的噴射氣流入口，所述吸氣通道周向均勻布置有若干與所述環形集氣腔相通且將噴射氣流噴射至葉輪前方以抑制葉輪振動的噴射孔，所述噴射孔的軸向朝向葉輪布置。本發明在機殼蓋板上設置環形集氣腔，噴射氣流自噴射氣流入口進入環形集氣腔，再均勻地由噴射孔噴射至葉輪的前方區域，噴射氣流在合適的壓力和沖角下，形成阻礙葉輪振動的局部流場，實現增加氣動阻尼的作用，有效抑制了復雜工況下離心葉輪受氣流激勵所致的疲勞損壞。
【專利說明】
一種離心葉輪受迫振動抑制系統及其控制方法
技術領域
[0001]本發明屬于壓縮機技術領域，具體是涉及一種離心葉輪受迫振動抑制系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]現代離心壓縮機正朝著高負荷、高效能和高可靠性的方向發展，離心葉輪作為其核心部件，在實際運行中往往經歷彎管進氣畸變、上游導葉尾流、失速團等流動條件，產生作用于葉片上的非定常氣動力，從而誘發葉輪受迫振動。在極端工況下離心葉輪受氣流激振產生大幅交變應力，與離心力引起的靜應力疊加，即有可能導致葉輪葉片疲勞破壞，因此有效抑制離心葉輪在氣流激勵下的受迫振動對避免葉輪疲勞、提高結構可靠性有重要意義。
[0003]工業場合中為避免壓縮機產生強烈的受迫振動，往往要求轉子系統的固有頻率在允許轉速范圍內不與任何激振源的頻率相重合，且應具有一定的隔離裕度。然而，實際運行中離心葉輪的激振源很多，如進氣畸變、動靜部件干涉、流動分離失速、油膜渦動等諸多因素，因此很難有效地規避所有激振源引起的受迫振動。目前針對旋轉機械轉子系統的受迫振動已有阻尼器減振的技術，對于軸流葉盤結構還可采用干摩擦阻尼結構來消耗葉片振動的能量。然而對于離心葉輪這樣的結構，阻尼器只能削弱輪盤的振動，無法抑制葉輪葉片受氣流激勵產生的振動，干摩擦阻尼結構也很難應用于離心葉輪的葉片。同時，已有技術均是從提高結構阻尼方面來抑制受迫振動，需在轉子部件上安裝相關設備，顯著增加了結構復雜性。
[0004]從提高氣動阻尼方面考慮、不增加轉子部件結構復雜性的受迫振動抑制技術，應具有更大的應用價值。
【發明內容】
[0005]為了解決上述技術問題，本發明提供一種離心葉輪受迫振動抑制系統及其控制方法。
[0006]為了實現本發明的目的，本發明采用了以下技術方案:
[0007]—種離心葉輪受迫振動抑制系統，包括離心壓縮機，所述離心壓縮機的葉輪前方為機殼蓋板，所述機殼蓋板構成吸氣通道，所述吸氣通道外周面上設有環形集氣腔，所述環形集氣腔上設有與進氣通道相通的噴射氣流入口，所述吸氣通道周向均勻布置有若干與所述環形集氣腔相通且將噴射氣流噴射至葉輪前方以抑制葉輪振動的噴射孔，所述噴射孔的軸向朝向葉輪布置。
[0008]該系統包括控制單元，所述進氣通道與噴射氣流入口之間設有循環壓縮機、調節閥，所述進氣通道與吸氣通道相通且二者之間設有渦街流量計，所述離心壓縮機的排氣通道上設有壓力傳感器，所述離心壓縮機上安裝有用于采集軸振位移信號的軸振傳感器、以及用于獲得葉尖振動位移信號的光柵振動傳感器，所述控制單元的信號接收端與所述渦街流量計、壓力傳感器相連，所述控制單元的信號輸出端與所述循環壓縮機以及調節閥相連。
[0009]所述噴射孔的數量為葉片數量的3-5倍。
[0010]所述吸氣通道的周向均勻布置有3個或4個或5個用于安裝所述光柵振動傳感器的安裝孔，所述安裝孔的軸向對應于葉片前緣。
[0011 ]上述離心葉輪受迫振動抑制系統的控制方法，包括以下操作過程:
[0012]a、所述控制單元采集渦街流量計和壓力傳感器的信號以獲取離心壓縮機的工況參數，所述控制單元同時采集軸振位移信號以及光柵振動傳感器的光波信號，并對所述光波信號進行解調計算得到所述葉尖振動位移信號；
[0013]b、所述控制單元對所述軸振位移信號、葉尖振動位移信號進行頻域變換獲得各激振階次的振幅參數，所述振幅參數包括軸振振幅參數和葉尖振幅參數；
[0014]C、所述控制單元根據所述工況參數、以及振幅參數分析離心壓縮機工作狀態，針對離心壓縮機工況點位于相應轉速的特性曲線范圍內的情況將離心壓縮機工作狀態分為:當振幅參數小于設定閾值時，離心壓縮機處于穩定工作狀態；當某一激振階次的軸振振幅參數超越閾值突然增大時，離心壓縮機的葉輪-軸系統發生共振;當某一激振階次的葉尖振幅參數超越閾值突然增大時，離心壓縮機的葉輪系統發生共振；
[0015]d、若離心壓縮機處于穩定工作狀態，所述控制單元無信號輸出，此時所述循環壓縮機和調節閥關閉;若離心壓縮機的葉輪-軸系統或葉輪系統發生共振，所述控制單元發出信號，啟動所述循環壓縮機并開啟調節閥以實現噴射氣流流量與壓力的調節。
[0016]本發明的有益效果在于:
[0017](I)本發明在所述機殼蓋板上設置環形集氣腔，所述噴射氣流自所述噴射氣流入口進入環形集氣腔，再均勻地由所述噴射孔噴射至所述葉輪的前方區域，所述噴射氣流在合適的壓力和沖角下，形成阻礙葉輪振動的局部流場，實現增加氣動阻尼的作用，本發明結構簡單且避免了現有結構中阻尼技術執行機構復雜的缺點，有效抑制了復雜工況下離心葉輪受氣流激勵所致的疲勞損壞。所述噴射孔的軸向朝向葉輪且位于葉輪前方區域，由該處射入氣流對改變葉頂區域局部流場，進而改變氣動阻尼的效果最佳。
[0018](2)本發明所述噴射孔的數量的選擇以使噴射氣流具有合適的速度和流量，具體數目、尺寸和流向可根據系統調控需求采用不同配置。本發明所述光柵振動傳感器的安裝孔的設置方式易于檢測到葉片微小的振動信號，因為葉片前緣處振動位移幅值最大。
[0019](3)本發明根據軸振傳感器、光柵振動傳感器的信號數據，實時監測離心壓縮機的運行狀態，判斷葉輪振動是否處于共振區間，當軸振振幅參數或葉尖振幅參數峰值超過設定閾值時，通過控制單元和執行部件(調節閥和循環壓縮機)主動控制氣動噴射氣流的流量與壓力參數，調節離心壓縮機葉輪局部小范圍內流體的流動狀況，實現正氣動阻尼的施加。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明系統原理圖；
[0021 ]圖2為本發明壓縮機結構圖；
[0022]圖3為圖2的軸向局部剖視圖。
[0023]圖4為本發明壓縮機局部結構示意圖；
[0024]圖5為機殼蓋板在安裝孔位置的A-A斷面剖視圖。
[0025]附圖中標記的含義如下:
[0026]1-進氣通道2-離心壓縮機3-排氣通道4-渦街流量計
[0027]5-壓力傳感器6-循環壓縮機7-調節閥8-軸振傳感器
[0028]9-光柵振動傳感器10-控制單元21-葉輪22-機殼蓋板
[0029]23-后蓋板24-蝸殼221-噴射氣流入口 222-環形集氣腔
[0030]223-噴射孔224-安裝孔
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合實施例對本發明技術方案做出更為具體的說明:
[0032]如圖2、3所示，本發明離心葉輪受迫振動抑制系統包括離心壓縮機2，所述離心壓縮機2的葉輪21前方為機殼蓋板22，所述機殼蓋板22構成吸氣通道，所述吸氣通道外周面上設有環形集氣腔222，所述環形集氣腔222上設有與進氣通道I相通的噴射氣流入口 221，所述吸氣通道周向均勻布置有若干與所述環形集氣腔222相通且將噴射氣流噴射至葉輪21前方以抑制葉輪振動的噴射孔223，所述噴射孔223的軸向朝向葉輪21布置。所述葉輪21為半開式葉輪。本發明在所述機殼蓋板22上設置環形集氣腔222，所述噴射氣流自所述噴射氣流入口 221進入環形集氣腔222，再均勻地由所述噴射孔223噴射至所述葉輪21的前方區域，所述噴射氣流在合適的壓力和沖角下，形成阻礙葉輪21振動的局部流場，實現增加氣動阻尼的作用，本發明結構簡單且避免了現有結構中阻尼技術執行機構復雜的缺點，有效抑制了復雜工況下離心葉輪受氣流激勵所致的疲勞損壞。所述噴射孔223的軸向朝向葉輪21且位于葉輪21前方區域，由該處射入氣流對改變葉頂區域局部流場，進而改變氣動阻尼的效果最佳。
[0033]如圖1所示，該系統包括控制單元10，所述進氣通道I與噴射氣流入口221之間設有循環壓縮機6、調節閥7，所述進氣通道I與吸氣通道相通且二者之間設有渦街流量計4，所述離心壓縮機2的排氣通道3上設有壓力傳感器5，所述離心壓縮機2上安裝有用于采集軸振位移信號的軸振傳感器8、以及用于獲得葉尖振動位移信號的光柵振動傳感器9，所述控制單元10的信號接收端與所述渦街流量計4、壓力傳感器5相連，所述控制單元10的信號輸出端與所述循環壓縮機6以及調節閥7相連。
[0034]所述噴射孔223的數量為葉片數量的3-5倍。本發明所述噴射孔223的數量的選擇以使噴射氣流具有合適的速度和流量，具體數目、尺寸和流向可根據系統調控需求采用不同配置。
[0035]如圖5所示，所述吸氣通道的周向均勻布置有3個或4個或5個用于安裝所述光柵振動傳感器9的安裝孔224，所述安裝孔224的軸向對應于葉片前緣。本發明所述光柵振動傳感器9的安裝孔224的設置方式易于檢測到葉片微小的振動信號，因為葉片前緣處振動位移幅值最大。
[0036]上述離心葉輪受迫振動抑制系統可以用于單級離心壓縮機，也適用于基于本發明原理的多級離心壓縮機。
[0037 ]上述離心葉輪受迫振動抑制系統的控制方法即工作方式為:
[0038]a、所述控制單元10采集渦街流量計4和壓力傳感器5的信號以獲取離心壓縮機2的工況參數，所述控制單元10同時采集軸振位移信號以及光柵振動傳感器的光波信號，并對所述光波信號進行解調計算得到所述葉尖振動位移信號；
[0039]b、所述控制單元10對所述軸振位移信號、葉尖振動位移信號進行頻域變換獲得各激振階次的振幅參數，所述振幅參數包括軸振振幅參數和葉尖振幅參數；
[0040]C、所述控制單元10根據所述工況參數、以及振幅參數分析離心壓縮機2工作狀態，針對離心壓縮機2工況點位于相應轉速的特性曲線范圍內的情況將離心壓縮機2工作狀態分為:當振幅參數小于設定閾值時，離心壓縮機2處于穩定工作狀態；當某一激振階次的軸振振幅參數超越閾值突然增大時，離心壓縮機2的葉輪-軸系統發生共振；當某一激振階次的葉尖振幅參數超越閾值突然增大時，離心壓縮機2的葉輪系統發生共振；
[0041]d、若離心壓縮機2處于穩定工作狀態，所述控制單元10無信號輸出，此時所述循環壓縮機6和調節閥7關閉；若離心壓縮機2的葉輪-軸系統或葉輪系統發生共振，所述控制單元10發出信號，啟動所述循環壓縮機6并開啟調節閥7以實現噴射氣流流量與壓力的調節。
[0042]這里不同流量的噴射氣流使葉片前緣的沖角不同，合適的沖角與壓力有利于實現氣動阻尼的增加。通過改變循環壓縮機6的轉速以及調節閥7的行程實現對噴射氣流流量、壓力的調節，若軸振或葉尖振幅參數開始減小，表明葉輪振動的氣動阻尼增加，控制單元10按此調節方向繼續改變循環壓縮機6轉速和調節閥7行程，當軸振或葉尖振幅峰值降低至設定閾值以下，穩定循環壓縮機6和調節閥7參數，至此葉輪21的受迫振動得到有效抑制，若軸振或葉尖振幅參數出現增大，表明葉輪振動的氣動阻尼減小，此時控制單元10反向調節循環壓縮機6轉速和調節閥7行程，使軸振或葉尖振幅參數降低。
[0043]所述循環壓縮機6的流量和壓比可調，且噴射流量較小，在不使離心壓縮機2的工況參數顯著變化情況下，使得噴射氣流進入葉輪21前方的葉頂區域。葉頂前部振動較強，噴射氣流在合適的壓力和沖角下，形成阻礙葉輪振動的局部流場，實現增加氣動阻尼的作用。
【主權項】
1.一種離心葉輪受迫振動抑制系統，包括離心壓縮機(2)，所述離心壓縮機(2)的葉輪(21)前方為機殼蓋板(22)，所述機殼蓋板(22)構成吸氣通道，其特征在于:所述吸氣通道外周面上設有環形集氣腔(222)，所述環形集氣腔(222)上設有與進氣通道(I)相通的噴射氣流入口( 221)，所述吸氣通道周向均勻布置有若干與所述環形集氣腔(222)相通且將噴射氣流噴射至葉輪(21)前方以抑制葉輪振動的噴射孔(223)，所述噴射孔(223)的軸向朝向葉輪(21)布置。2.如權利要求1所述的離心葉輪受迫振動抑制系統，其特征在于:該系統包括控制單元(10)，所述進氣通道(I)與噴射氣流入口(221)之間設有循環壓縮機(6)、調節閥(7)，所述進氣通道(I)與吸氣通道相通且二者之間設有渦街流量計(4)，所述離心壓縮機(2)的排氣通道(3)上設有壓力傳感器(5)，所述離心壓縮機(2)上安裝有用于采集軸振位移信號的軸振傳感器(8)、以及用于獲得葉尖振動位移信號的光柵振動傳感器(9)，所述控制單元(10)的信號接收端與所述渦街流量計(4)、壓力傳感器(5)相連，所述控制單元(10)的信號輸出端與所述循環壓縮機(6)以及調節閥(7)相連。3.如權利要求1所述的離心葉輪受迫振動抑制系統，其特征在于:所述噴射孔(223)的數量為葉片數量的3-5倍。4.如權利要求1所述的離心葉輪受迫振動抑制系統，其特征在于:所述吸氣通道的周向均勻布置有3個或4個或5個用于安裝所述光柵振動傳感器(9)的安裝孔(224)，所述安裝孔(224)的軸向對應于葉片前緣。5.如權利要求2-4任一項所述的離心葉輪受迫振動抑制系統的控制方法，包括以下操作過程: a、所述控制單元(10)采集渦街流量計(4)和壓力傳感器(5)的信號以獲取離心壓縮機(2)的工況參數，所述控制單元(10)同時采集軸振位移信號以及光柵振動傳感器的光波信號，并對所述光波信號進行解調計算得到所述葉尖振動位移信號； b、所述控制單元(10)對所述軸振位移信號、葉尖振動位移信號進行頻域變換獲得各激振階次的振幅參數，所述振幅參數包括軸振振幅參數和葉尖振幅參數； c、所述控制單元(10)根據所述工況參數、以及振幅參數分析離心壓縮機(2)工作狀態，針對離心壓縮機(2)工況點位于相應轉速的特性曲線范圍內的情況將離心壓縮機(2)工作狀態分為:當振幅參數小于設定閾值時，離心壓縮機(2)處于穩定工作狀態；當某一激振階次的軸振振幅參數超越閾值突然增大時，離心壓縮機(2)的葉輪-軸系統發生共振；當某一激振階次的葉尖振幅參數超越閾值突然增大時，離心壓縮機(2)的葉輪系統發生共振； d、若離心壓縮機(2)處于穩定工作狀態，所述控制單元(10)無信號輸出，此時所述循環壓縮機(6)和調節閥(7)關閉；若離心壓縮機(2)的葉輪-軸系統或葉輪系統發生共振，所述控制單元(10)發出信號，啟動所述循環壓縮機(6)并開啟調節閥(7)以實現噴射氣流流量與壓力的調節。
【文檔編號】F04D29/68GK105952688SQ201610410950
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】肖軍, 趙遠揚, 楊啟超
【申請人】合肥通用機械研究院