評估致流機操作狀態的方法和致流機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及評估致流機，特別是泵，的操作狀態的方法，以及根據獨立權利要求前序部分的致流機，特別是泵。
【背景技術】
[0002]渦輪機或泵(具體是但不僅是離心泵)的部分載荷操作通常與不利地損害這些機器的操作行為的振動水平增加相關。在此方面，引起振動水平增加的原因常常在流體動力過程中找到，除其他因素之外，其具體由部分載荷操作決定。
[0003]也就是說，旋轉和靜止流場之間的相互作用引起在空間和時間上分布的壓力場，其可激起葉輪的機械固有頻率，以及靜止機器部件的機械固有頻率。這些振動，如果未充分衰減的話，在最壞的情形中可導致葉輪(也被稱作葉片輪或轉子)毀壞，或者損壞或毀壞致流機的其他機器零件。
[0004]由于實際上上述類型的所有現代高性能機器，特別是高性能泵，都可變速地操作，所以因轉子-定子相互作用(RSI)而引起的壓力脈動激起葉輪的固有頻率的操作點在實際中幾乎是不可避免的。
[0005]在此方面，另一現象特別地與部分載荷操作中的RSI壓力脈動現象疊加。局部脫離影響泵的液壓通道中的流的結構，并可導致進一步的變形和其他頻率的振動。
[0006]在此方面已經發現，盡管除了設計體積流量(S卩，處于被設計進行常規操作的泵的操作范圍中)的不可避免的機械不平衡之外僅RSI壓力脈沖對葉輪的變形有貢獻，但在部分載荷情況下可發生靜止和旋轉不穩定。
[0007]定子中的靜止脫離(其顯示為高壓的不旋轉區域，跟隨以沿旋轉方向的導流片的吸力表面上的壓降)導致額外的壓力脈動，這在葉輪中顯示為壓力脈動，特別是在葉輪及其諧振部件的旋轉頻率處。
[0008]可能的是，在特定體積流量處，此高壓區域開始慢慢地或多或少地旋轉，就是說脫離，即，脫離區域形成并因此不再保持空間靜止。已經發現，此脫離區域對機械載荷(例如泵級)有顯著影響。在此方面，還已經發現，移動或旋轉脫離區域甚至可能要對葉輪的最大變形(特別是葉輪的蓋盤)負責，這種變形可能是由轉子-定子相互作用導致的變形的數倍大。在此方面，因脫離而引起的局部壓力增加產生了在旋轉脫離情形中大體以脫離的角速度循環的徑向力。
[0009]原則上，可借助于徑向和/或軸向軸振動測量方法來證明此現象。在此方面可示出，轉子軸的波中心直接由脫離區域的位置決定。
[0010]這可負面地影響泵的轉子動態，但在另一方面可用于確定旋轉不穩定性，因為不總是能利用外部壓力傳感器識別旋轉脫離。
[0011]此外，已知定子中存在的脫離不利地影響輪側湍流。以小周向速度的流體流入，即，充分地減小輪側空間中的流體旋轉并因此影響輪側空間中的壓力分布和從其得到的靜止和瞬態的(即隨時間變化的)軸向或徑向力，這也可以存在于其他中并且適時周期性地增加和減小。這也可以利用軸向和/或徑向軸振動測量來證明。
[0012]這些現有技術已知的現象及與其相關的問題以及利用軸振動測量方法進行的它們的檢測已經由發明人在泵的特定情形中詳細檢查并已經在其論文“Hydrodynamics ofHigh Specific Pumps for Off-Design Operating Condit1ns”，(論文號 4642 (2010),Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)中公開。
[0013]在此方面很重要的是，在致流機的操作中及時確定所述致流機何時處于上述不希望的操作狀態。如已經提及的，如果未及時識別出這類操作狀態并且如果未及時采取使機器盡可能快地再次返回非損壞操作狀態的對應反制措施，則會顯著損壞，或在最壞的情形中，毀壞葉輪，甚至整個機器。
[0014]遺憾的是，這些操作狀態及與其相關的以上詳細描述的復雜耦合的振動過程可能不易被識別。如已經提及的，原則上，靜止的和瞬態的(即隨時間變化的)壓力波動和流動現象，特別是靜止和旋轉的脫離，原則上可利用軸振動測量方法經由檢測轉子的轉子轉軸或機器的葉片輪的偏離來間接地證明。但是，已經表明，以此方式獲得的數據不容許對致流機中的壓力波動和流動現象做出任何普遍性結論，并因此不容許對其當前操作狀態做出任何結論，就是說，不能基于這種數據進行操作狀態評估。
[0015]其原因是機器及其具體結構的尺寸和幾何形狀，其功率方面或體積流量方面的配置、被泵送或渦輪旋轉的流體的方式和狀態以及技術人員熟知的其他因素都顯著地影響轉子軸的振動行為，即，轉子軸的依賴時間的偏尚行為。
[0016]換言之，如果在特定應用中和預定操作情況下觀察特定的單個機器，則基于轉子軸的依賴時間的移動對靜止和/或瞬態的(即隨時間變化的)的壓力波動和流動現象(這在機器中實際發生)不能得出清楚的結論，特別是對有害的靜止和旋轉脫離不能得出清楚的結論。
[0017]這僅在以下情況中是可能的，S卩，預先在單個機器處執行很詳細校準的測量，并且實際上同時考慮機器稍后計劃在其中操作的非常具體的應用，就是說，例如依賴于待被泵送或渦輪旋轉的流體的類型、稠度或黏度、依賴于將泵緊固成一個整體的托架、驅動的強度和方式、待被泵送的流體的操作溫度以及許多其他相關參數。在數學方面:僅可通過以下方式得出有用的結論，即，通過由轉子軸從靜止位置的依賴時間的偏離實際產生的靜止的和/或瞬態的(即隨時間變化的)壓力波動和流動現象，利用軸向和/或徑向軸振動測量方法，即，根據葉輪的轉子轉軸位置的依賴時間的測量，當已知機器的很復雜的“傳遞函數”并且詳細考慮特定操作情況時，在一方面，這在壓力波動和流動現象與轉子轉軸的隨時間變化的軸向偏離之間建立聯系。
[0018]這在許多情形中自然是不適合實踐的方法，因為必須對每個單獨的機器執行上述很復雜的校準測量，并且同時考慮所有可能想象到的操作參數，等等，以便隨后能夠根據轉子軸的徑向和/或軸向偏離移動的測量得出正確結論。
[0019]但是，此過程不僅非常復雜，且因此昂貴，并且在實踐中不總是能可靠地執行。如已經提及的，例如，待經機器處理的流體的種類也可能起作用。但是，其性質在許多情形中不能提前精確地知道，或者可在致流機的操作過程中以不可預見的方式改變。例如，如果將要泵送諸如原油的物質，則原油的稠度可按完全不可預見的方式隨時間變化。例如，氣體、沙子或水的充填、或原油的化學成分等可因此隨時間變化，這會很大地影響例如待泵送的原油的黏度，從而使得所進行的校準(即最終使用的傳遞函數)不再正確，并因此根據測量的轉子軸偏離得出不正確的結論。流體的溫度、泵暴露于的環境溫度或技術人員本身已知的其他參數也能以不可預見的方式變化。在這類情形中，利用已知的軸向和/或徑向軸振動測量方法，可能不能識別出有害的操作狀態，這會導致機器受損甚至毀壞。
【發明內容】
[0020]因此，本發明的目的是提出一種新的檢測致流機(特別是泵)的有害操作狀態的方法，利用該方法，能夠可靠地檢測到操作狀態中實際發生的靜止的和/或瞬態的(即隨時間變化的)壓力波動和流動現象，并且可避免現有技術已知的問題。
[0021]滿足此目的的本發明的主題由獨立權利要求1和12的特征來特性化。
[0022]從屬權利要求涉及本發明的特別有利的實施例。
[0023]因此，本發明涉及評估致流機的操作狀態的方法，致流機包括布置在轉子轉軸處的葉輪，并且具有葉輪的轉子轉軸被支撐在軸承中，可在致流機的機器外殼中圍繞軸向方向旋轉。根據本發明，在致流機的操作狀態中利用第一力傳感器沿第一方向測量作用在轉子轉軸上的支承力的第一力分量，該第一方向垂直于軸向方向。利用第二力傳感器沿第二方向測量支承力的第二力分量，該第二方向同樣垂直于軸向方向，并優選但非必要地垂直于第一方向。于是，合力由第一力分量和第二力分量形成，利用頻率分析來制備該合力的頻譜，對比所述頻譜和參考頻譜，最終據此在致流機的預定操作狀態中執行操作狀