一种离心叶轮受迫振动抑制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明主要涉及一种离心叶轮受迫振动抑制系统。该系统包括离心压缩机，所述离心压缩机的叶轮前方为机壳盖板，所述机壳盖板构成吸气通道，所述吸气通道外周面上设有环形集气腔，所述环形集气腔上设有与进气通道相通的喷射气流入口，所述吸气通道周向均匀布置有若干与所述环形集气腔相通且将喷射气流喷射至叶轮前方以抑制叶轮振动的喷射孔，所述喷射孔的轴向朝向叶轮布置。本发明在机壳盖板上设置环形集气腔，喷射气流自喷射气流入口进入环形集气腔，再均匀地由喷射孔喷射至叶轮的前方区域，喷射气流在合适的压力和冲角下，形成阻碍叶轮振动的局部流场，实现增加气动阻尼的作用，有效抑制了复杂工况下离心叶轮受气流激励所致的疲劳损坏。
【专利说明】
一种离心叶轮受迫振动抑制系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于压缩机技术领域，具体是涉及一种离心叶轮受迫振动抑制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]现代离心压缩机正朝着高负荷、高效能和高可靠性的方向发展，离心叶轮作为其核心部件，在实际运行中往往经历弯管进气畸变、上游导叶尾流、失速团等流动条件，产生作用于叶片上的非定常气动力，从而诱发叶轮受迫振动。在极端工况下离心叶轮受气流激振产生大幅交变应力，与离心力引起的静应力叠加，即有可能导致叶轮叶片疲劳破坏，因此有效抑制离心叶轮在气流激励下的受迫振动对避免叶轮疲劳、提高结构可靠性有重要意义。
[0003]工业场合中为避免压缩机产生强烈的受迫振动，往往要求转子系统的固有频率在允许转速范围内不与任何激振源的频率相重合，且应具有一定的隔离裕度。然而，实际运行中离心叶轮的激振源很多，如进气畸变、动静部件干涉、流动分离失速、油膜涡动等诸多因素，因此很难有效地规避所有激振源引起的受迫振动。目前针对旋转机械转子系统的受迫振动已有阻尼器减振的技术，对于轴流叶盘结构还可采用干摩擦阻尼结构来消耗叶片振动的能量。然而对于离心叶轮这样的结构，阻尼器只能削弱轮盘的振动，无法抑制叶轮叶片受气流激励产生的振动，干摩擦阻尼结构也很难应用于离心叶轮的叶片。同时，已有技术均是从提高结构阻尼方面来抑制受迫振动，需在转子部件上安装相关设备，显著增加了结构复杂性。
[0004]从提高气动阻尼方面考虑、不增加转子部件结构复杂性的受迫振动抑制技术，应具有更大的应用价值。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供一种离心叶轮受迫振动抑制系统及其控制方法。
[0006]为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案:
[0007]—种离心叶轮受迫振动抑制系统，包括离心压缩机，所述离心压缩机的叶轮前方为机壳盖板，所述机壳盖板构成吸气通道，所述吸气通道外周面上设有环形集气腔，所述环形集气腔上设有与进气通道相通的喷射气流入口，所述吸气通道周向均匀布置有若干与所述环形集气腔相通且将喷射气流喷射至叶轮前方以抑制叶轮振动的喷射孔，所述喷射孔的轴向朝向叶轮布置。
[0008]该系统包括控制单元，所述进气通道与喷射气流入口之间设有循环压缩机、调节阀，所述进气通道与吸气通道相通且二者之间设有涡街流量计，所述离心压缩机的排气通道上设有压力传感器，所述离心压缩机上安装有用于采集轴振位移信号的轴振传感器、以及用于获得叶尖振动位移信号的光栅振动传感器，所述控制单元的信号接收端与所述涡街流量计、压力传感器相连，所述控制单元的信号输出端与所述循环压缩机以及调节阀相连。
[0009]所述喷射孔的数量为叶片数量的3-5倍。
[0010]所述吸气通道的周向均匀布置有3个或4个或5个用于安装所述光栅振动传感器的安装孔，所述安装孔的轴向对应于叶片前缘。
[0011 ]上述离心叶轮受迫振动抑制系统的控制方法，包括以下操作过程:
[0012]a、所述控制单元采集涡街流量计和压力传感器的信号以获取离心压缩机的工况参数，所述控制单元同时采集轴振位移信号以及光栅振动传感器的光波信号，并对所述光波信号进行解调计算得到所述叶尖振动位移信号；
[0013]b、所述控制单元对所述轴振位移信号、叶尖振动位移信号进行频域变换获得各激振阶次的振幅参数，所述振幅参数包括轴振振幅参数和叶尖振幅参数；
[0014]C、所述控制单元根据所述工况参数、以及振幅参数分析离心压缩机工作状态，针对离心压缩机工况点位于相应转速的特性曲线范围内的情况将离心压缩机工作状态分为:当振幅参数小于设定阈值时，离心压缩机处于稳定工作状态；当某一激振阶次的轴振振幅参数超越阈值突然增大时，离心压缩机的叶轮-轴系统发生共振;当某一激振阶次的叶尖振幅参数超越阈值突然增大时，离心压缩机的叶轮系统发生共振；
[0015]d、若离心压缩机处于稳定工作状态，所述控制单元无信号输出，此时所述循环压缩机和调节阀关闭;若离心压缩机的叶轮-轴系统或叶轮系统发生共振，所述控制单元发出信号，启动所述循环压缩机并开启调节阀以实现喷射气流流量与压力的调节。
[0016]本发明的有益效果在于:
[0017](I)本发明在所述机壳盖板上设置环形集气腔，所述喷射气流自所述喷射气流入口进入环形集气腔，再均匀地由所述喷射孔喷射至所述叶轮的前方区域，所述喷射气流在合适的压力和冲角下，形成阻碍叶轮振动的局部流场，实现增加气动阻尼的作用，本发明结构简单且避免了现有结构中阻尼技术执行机构复杂的缺点，有效抑制了复杂工况下离心叶轮受气流激励所致的疲劳损坏。所述喷射孔的轴向朝向叶轮且位于叶轮前方区域，由该处射入气流对改变叶顶区域局部流场，进而改变气动阻尼的效果最佳。
[0018](2)本发明所述喷射孔的数量的选择以使喷射气流具有合适的速度和流量，具体数目、尺寸和流向可根据系统调控需求采用不同配置。本发明所述光栅振动传感器的安装孔的设置方式易于检测到叶片微小的振动信号，因为叶片前缘处振动位移幅值最大。
[0019](3)本发明根据轴振传感器、光栅振动传感器的信号数据，实时监测离心压缩机的运行状态，判断叶轮振动是否处于共振区间，当轴振振幅参数或叶尖振幅参数峰值超过设定阈值时，通过控制单元和执行部件(调节阀和循环压缩机)主动控制气动喷射气流的流量与压力参数，调节离心压缩机叶轮局部小范围内流体的流动状况，实现正气动阻尼的施加。
【附图说明】
[0020]图1为本发明系统原理图；
[0021 ]图2为本发明压缩机结构图；
[0022]图3为图2的轴向局部剖视图。
[0023]图4为本发明压缩机局部结构示意图；
[0024]图5为机壳盖板在安装孔位置的A-A断面剖视图。
[0025]附图中标记的含义如下:
[0026]1-进气通道2-离心压缩机3-排气通道4-涡街流量计
[0027]5-压力传感器6-循环压缩机7-调节阀8-轴振传感器
[0028]9-光栅振动传感器10-控制单元21-叶轮22-机壳盖板
[0029]23-后盖板24-蜗壳221-喷射气流入口 222-环形集气腔
[0030]223-喷射孔224-安装孔
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明:
[0032]如图2、3所示，本发明离心叶轮受迫振动抑制系统包括离心压缩机2，所述离心压缩机2的叶轮21前方为机壳盖板22，所述机壳盖板22构成吸气通道，所述吸气通道外周面上设有环形集气腔222，所述环形集气腔222上设有与进气通道I相通的喷射气流入口 221，所述吸气通道周向均匀布置有若干与所述环形集气腔222相通且将喷射气流喷射至叶轮21前方以抑制叶轮振动的喷射孔223，所述喷射孔223的轴向朝向叶轮21布置。所述叶轮21为半开式叶轮。本发明在所述机壳盖板22上设置环形集气腔222，所述喷射气流自所述喷射气流入口 221进入环形集气腔222，再均匀地由所述喷射孔223喷射至所述叶轮21的前方区域，所述喷射气流在合适的压力和冲角下，形成阻碍叶轮21振动的局部流场，实现增加气动阻尼的作用，本发明结构简单且避免了现有结构中阻尼技术执行机构复杂的缺点，有效抑制了复杂工况下离心叶轮受气流激励所致的疲劳损坏。所述喷射孔223的轴向朝向叶轮21且位于叶轮21前方区域，由该处射入气流对改变叶顶区域局部流场，进而改变气动阻尼的效果最佳。
[0033]如图1所示，该系统包括控制单元10，所述进气通道I与喷射气流入口221之间设有循环压缩机6、调节阀7，所述进气通道I与吸气通道相通且二者之间设有涡街流量计4，所述离心压缩机2的排气通道3上设有压力传感器5，所述离心压缩机2上安装有用于采集轴振位移信号的轴振传感器8、以及用于获得叶尖振动位移信号的光栅振动传感器9，所述控制单元10的信号接收端与所述涡街流量计4、压力传感器5相连，所述控制单元10的信号输出端与所述循环压缩机6以及调节阀7相连。
[0034]所述喷射孔223的数量为叶片数量的3-5倍。本发明所述喷射孔223的数量的选择以使喷射气流具有合适的速度和流量，具体数目、尺寸和流向可根据系统调控需求采用不同配置。
[0035]如图5所示，所述吸气通道的周向均匀布置有3个或4个或5个用于安装所述光栅振动传感器9的安装孔224，所述安装孔224的轴向对应于叶片前缘。本发明所述光栅振动传感器9的安装孔224的设置方式易于检测到叶片微小的振动信号，因为叶片前缘处振动位移幅值最大。
[0036]上述离心叶轮受迫振动抑制系统可以用于单级离心压缩机，也适用于基于本发明原理的多级离心压缩机。
[0037 ]上述离心叶轮受迫振动抑制系统的控制方法即工作方式为:
[0038]a、所述控制单元10采集涡街流量计4和压力传感器5的信号以获取离心压缩机2的工况参数，所述控制单元10同时采集轴振位移信号以及光栅振动传感器的光波信号，并对所述光波信号进行解调计算得到所述叶尖振动位移信号；
[0039]b、所述控制单元10对所述轴振位移信号、叶尖振动位移信号进行频域变换获得各激振阶次的振幅参数，所述振幅参数包括轴振振幅参数和叶尖振幅参数；
[0040]C、所述控制单元10根据所述工况参数、以及振幅参数分析离心压缩机2工作状态，针对离心压缩机2工况点位于相应转速的特性曲线范围内的情况将离心压缩机2工作状态分为:当振幅参数小于设定阈值时，离心压缩机2处于稳定工作状态；当某一激振阶次的轴振振幅参数超越阈值突然增大时，离心压缩机2的叶轮-轴系统发生共振；当某一激振阶次的叶尖振幅参数超越阈值突然增大时，离心压缩机2的叶轮系统发生共振；
[0041]d、若离心压缩机2处于稳定工作状态，所述控制单元10无信号输出，此时所述循环压缩机6和调节阀7关闭；若离心压缩机2的叶轮-轴系统或叶轮系统发生共振，所述控制单元10发出信号，启动所述循环压缩机6并开启调节阀7以实现喷射气流流量与压力的调节。
[0042]这里不同流量的喷射气流使叶片前缘的冲角不同，合适的冲角与压力有利于实现气动阻尼的增加。通过改变循环压缩机6的转速以及调节阀7的行程实现对喷射气流流量、压力的调节，若轴振或叶尖振幅参数开始减小，表明叶轮振动的气动阻尼增加，控制单元10按此调节方向继续改变循环压缩机6转速和调节阀7行程，当轴振或叶尖振幅峰值降低至设定阈值以下，稳定循环压缩机6和调节阀7参数，至此叶轮21的受迫振动得到有效抑制，若轴振或叶尖振幅参数出现增大，表明叶轮振动的气动阻尼减小，此时控制单元10反向调节循环压缩机6转速和调节阀7行程，使轴振或叶尖振幅参数降低。
[0043]所述循环压缩机6的流量和压比可调，且喷射流量较小，在不使离心压缩机2的工况参数显著变化情况下，使得喷射气流进入叶轮21前方的叶顶区域。叶顶前部振动较强，喷射气流在合适的压力和冲角下，形成阻碍叶轮振动的局部流场，实现增加气动阻尼的作用。
【主权项】
1.一种离心叶轮受迫振动抑制系统，包括离心压缩机(2)，所述离心压缩机(2)的叶轮(21)前方为机壳盖板(22)，所述机壳盖板(22)构成吸气通道，其特征在于:所述吸气通道外周面上设有环形集气腔(222)，所述环形集气腔(222)上设有与进气通道(I)相通的喷射气流入口( 221)，所述吸气通道周向均匀布置有若干与所述环形集气腔(222)相通且将喷射气流喷射至叶轮(21)前方以抑制叶轮振动的喷射孔(223)，所述喷射孔(223)的轴向朝向叶轮(21)布置。2.如权利要求1所述的离心叶轮受迫振动抑制系统，其特征在于:该系统包括控制单元(10)，所述进气通道(I)与喷射气流入口(221)之间设有循环压缩机(6)、调节阀(7)，所述进气通道(I)与吸气通道相通且二者之间设有涡街流量计(4)，所述离心压缩机(2)的排气通道(3)上设有压力传感器(5)，所述离心压缩机(2)上安装有用于采集轴振位移信号的轴振传感器(8)、以及用于获得叶尖振动位移信号的光栅振动传感器(9)，所述控制单元(10)的信号接收端与所述涡街流量计(4)、压力传感器(5)相连，所述控制单元(10)的信号输出端与所述循环压缩机(6)以及调节阀(7)相连。3.如权利要求1所述的离心叶轮受迫振动抑制系统，其特征在于:所述喷射孔(223)的数量为叶片数量的3-5倍。4.如权利要求1所述的离心叶轮受迫振动抑制系统，其特征在于:所述吸气通道的周向均匀布置有3个或4个或5个用于安装所述光栅振动传感器(9)的安装孔(224)，所述安装孔(224)的轴向对应于叶片前缘。5.如权利要求2-4任一项所述的离心叶轮受迫振动抑制系统的控制方法，包括以下操作过程: a、所述控制单元(10)采集涡街流量计(4)和压力传感器(5)的信号以获取离心压缩机(2)的工况参数，所述控制单元(10)同时采集轴振位移信号以及光栅振动传感器的光波信号，并对所述光波信号进行解调计算得到所述叶尖振动位移信号； b、所述控制单元(10)对所述轴振位移信号、叶尖振动位移信号进行频域变换获得各激振阶次的振幅参数，所述振幅参数包括轴振振幅参数和叶尖振幅参数； c、所述控制单元(10)根据所述工况参数、以及振幅参数分析离心压缩机(2)工作状态，针对离心压缩机(2)工况点位于相应转速的特性曲线范围内的情况将离心压缩机(2)工作状态分为:当振幅参数小于设定阈值时，离心压缩机(2)处于稳定工作状态；当某一激振阶次的轴振振幅参数超越阈值突然增大时，离心压缩机(2)的叶轮-轴系统发生共振；当某一激振阶次的叶尖振幅参数超越阈值突然增大时，离心压缩机(2)的叶轮系统发生共振； d、若离心压缩机(2)处于稳定工作状态，所述控制单元(10)无信号输出，此时所述循环压缩机(6)和调节阀(7)关闭；若离心压缩机(2)的叶轮-轴系统或叶轮系统发生共振，所述控制单元(10)发出信号，启动所述循环压缩机(6)并开启调节阀(7)以实现喷射气流流量与压力的调节。
【文档编号】F04D29/68GK105952688SQ201610410950
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】肖军, 赵远扬, 杨启超
【申请人】合肥通用机械研究院