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大型离心式压缩机组、蒸汽透平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，即使密封腔内入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。
& k& e8 K. x/ A! q# ~6 t/ i 一、振动机理% W0 e- s( e8 M4 O! @$ N
如图1-1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1-1 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1-2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1-2 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。
, j8 M* e# v) n0 P$ t a4 Q: M 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1-3(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。' y% F; w& b/ G2 r1 J
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1-3 (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。 图1-3 气体在密封腔内的旋转效应 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。* h3 o1 k- f) T$ X# d% @7 _
二、故障特征
& q: t6 C: t8 g6 O* m7 Z8 |0 E1 x 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。 三、诊断方法 s9 m# t0 F2 O- c4 {4 W
迷宫密封气流激振故障的诊断依据见表1-1和表1-2。
, C( L, K. ?5 f- K" d) R7 ?0 r7 G 四、故障原因及对策
, P l2 ^% s8 }# U0 {; g 迷宫密封气流激振的故障原因与治理措施见表1-3。 表1-1 迷宫密封气流激振的振动特征 表1-2 迷宫密封气体激振的振动敏感参数 表1-3 迷宫密封气流激振的故障原因及治理措施 五、诊断实例) ^/ S5 e( \2 _9 G
例1：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1-4所示。
& C6 c+ [, x; ]7 c; x 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。% |1 o- {! d; `& h7 ]' s0 n- d# T
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。. L9 l: _" t8 L: [/ a
生产验证：为了消除压缩机的异常振动，将轴端密封改为图1-5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。 采取这一措施后，压缩机高压缸的突发强烈振动基本上未再发生。
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发表于 2008-4-7 22:37:51