專利名稱：診斷和控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械中旋轉(zhuǎn)失速和喘振的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及壓縮機(jī)或泵之類的具有旋轉(zhuǎn)級(jí)的機(jī)械，更具體地講，涉及遭受稱為旋轉(zhuǎn)失速和喘振的操作異常的機(jī)械，以及出自轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)的診斷和控制這種失速和喘振的發(fā)生的方法和裝置。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)失速和喘振是可能在壓縮機(jī)之類的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中導(dǎo)致出于多種原因的危險(xiǎn)的機(jī)械損壞的重要機(jī)械現(xiàn)象。首先，流動(dòng)線路衰減產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子振動(dòng)可能損壞級(jí)間迷宮式密封。此外，逆流可能在葉輪葉片入口造成溫度連續(xù)升高(和對(duì)應(yīng)的出口壓頭降低)，導(dǎo)致喘振循環(huán)。壓縮機(jī)的吸入和排放端之間的壓力變化也可能造成軸向推力的迅速改變，因而導(dǎo)致止推軸承的損壞。另外，可能發(fā)生負(fù)載和速度的突然變化，因而對(duì)葉輪以及內(nèi)部壓縮和驅(qū)動(dòng)組件造成有害影響。
此前，一直將旋轉(zhuǎn)失速和喘振看成是空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并在空氣動(dòng)力學(xué)方面對(duì)旋轉(zhuǎn)失速和喘振進(jìn)行了廣泛的研究。研究導(dǎo)致了以下通用工業(yè)定義局部失速，級(jí)失速，失速區(qū)，喘振和旋轉(zhuǎn)失速。局部失速是在葉輪或擴(kuò)散器中的氣流分離或逆流。級(jí)失速是在局部失速增大到一系列離心葉輪(和相關(guān)的入口和排放靜止組件)中的一個(gè)在其流動(dòng)橫截面的一部分中經(jīng)歷逆流的點(diǎn)時(shí)。整體流動(dòng)仍然是向前的加壓方向。失速區(qū)是離心壓縮機(jī)中遭受流量擾動(dòng)和表現(xiàn)出失速征兆的葉輪或擴(kuò)散器的任何橫截面。喘振定義為周期性的流量振蕩或壓力擺動(dòng)。如果這些振蕩包括逆流，那么它是深度喘振。氣流速度不足以適當(dāng)?shù)爻錆M相鄰導(dǎo)流葉片之間的空間。喘振沿軸向傳播。旋轉(zhuǎn)失速也叫作傳播失速，是由覆蓋數(shù)個(gè)葉片和流道的大失速區(qū)構(gòu)成的。旋轉(zhuǎn)失速以轉(zhuǎn)子速度的幾分之一沿圓周傳播。失速區(qū)數(shù)量和傳播速度變化很大。
此前，一直是通過(guò)監(jiān)測(cè)和經(jīng)過(guò)閥門改變出口壓力比和／或入口壓力比改變壓縮機(jī)內(nèi)壓力流來(lái)解決旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象。此外，一直使用壓力和溫度的監(jiān)測(cè)作為檢測(cè)失速的標(biāo)記。另外，對(duì)壓縮機(jī)槳葉和葉片以及自轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)子的幾何形狀進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改變。因此，盡管在空氣動(dòng)力學(xué)方面對(duì)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行的廣泛的研究，但很少有人注意這種現(xiàn)象的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)含義。因此，需要從振動(dòng)診斷和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)角度更好地理解離心壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)失速。此外，需要有一種能夠提供對(duì)問(wèn)題的不僅僅是有關(guān)旋轉(zhuǎn)失速和喘振條件的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)果的振動(dòng)診斷和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)解決的裝置和方法。
以下的現(xiàn)有技術(shù)反映了申請(qǐng)人所知的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)，并且包括在這里以盡到公開本申請(qǐng)人所了解的有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的責(zé)任。但是按照規(guī)定，這些參考沒(méi)有一個(gè)能單獨(dú)地講授本發(fā)明，并且在以任何可以想象的組合考慮時(shí)，也不能提供與下面更為詳細(xì)的說(shuō)明中公開的，特別是權(quán)利要求所指出的本發(fā)明的顯而易見的關(guān)系。
本發(fā)明在多個(gè)地方與現(xiàn)有技術(shù)不同。本發(fā)明與已知現(xiàn)有技術(shù)的最顯著差別之一是本發(fā)明從振動(dòng)診斷和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)處理旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的旋轉(zhuǎn)失速和喘振。此外，本發(fā)明是一種監(jiān)測(cè)稱為旋轉(zhuǎn)失速和喘振的操作異常的機(jī)械震動(dòng)，和預(yù)測(cè)并控制這種失速和喘振發(fā)生的主動(dòng)系統(tǒng)。作為這種主動(dòng)干預(yù)的結(jié)果，在造成機(jī)械損壞之前改變這種旋轉(zhuǎn)失速和喘振議程的發(fā)生。
在一個(gè)優(yōu)選形式中，本發(fā)明使用了至少一對(duì)操作地耦合于旋轉(zhuǎn)機(jī)器和一個(gè)處理裝置的正交渦流位移傳感器。傳感器感測(cè)機(jī)器的旋轉(zhuǎn)軸的原始動(dòng)態(tài)橫向振動(dòng)，并向處理裝置輸出電信號(hào)。處理裝置把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成，例如，軌道曲線圖，以確定轉(zhuǎn)子振動(dòng)標(biāo)記。然后將該標(biāo)記與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或范例比較，并且在機(jī)械接近比較步驟指出的失速條件時(shí)，改變軸的進(jìn)動(dòng)。最好通過(guò)一個(gè)軸承噴口注入流體引入流體力與旋轉(zhuǎn)軸共同工作而改變軸的進(jìn)動(dòng)。
此外，可以將至少一個(gè)渦流位移傳感器操作地耦合到機(jī)器和處理裝置，用于測(cè)量，例如，機(jī)器的止推環(huán)的軸向振動(dòng)的。然后，可以把這個(gè)測(cè)量值與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或范例比較，并且當(dāng)比較步驟指出機(jī)器接近旋轉(zhuǎn)失速或喘振條件時(shí)，可以改變軸的軸向偏移。
另外，本發(fā)明提供了一種用于確定機(jī)器的復(fù)動(dòng)態(tài)勁度的方法和裝置，復(fù)動(dòng)態(tài)勁度包括一個(gè)直接動(dòng)態(tài)勁度分量和一個(gè)正交動(dòng)態(tài)勁度分量。然后，可以把這兩個(gè)分量用作失速警告裝置，并且也可以用于診斷和糾正轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)失穩(wěn)效應(yīng)。更具體地講，可以監(jiān)測(cè)直接動(dòng)態(tài)勁度分量，并與一個(gè)相關(guān)于旋轉(zhuǎn)失速的標(biāo)準(zhǔn)或范例比較。例如，可以監(jiān)測(cè)正交動(dòng)態(tài)勁度，以觀測(cè)指示旋轉(zhuǎn)失速的落差。此外，可以監(jiān)測(cè)直接和正交動(dòng)態(tài)勁度分量，以檢測(cè)兩個(gè)分量的零交叉點(diǎn)的重合性，用于診斷由于失速和喘振條件造成的失穩(wěn)效應(yīng)。
通過(guò)下面的對(duì)本發(fā)明的目的的討論可以顯示出本發(fā)明的工業(yè)應(yīng)用性。
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要目的是要提供一種用于在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中診斷和糾正旋轉(zhuǎn)失速和喘振的新的和有用的方法和裝置。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是要提供一種上述特征的方法和裝置，其確定機(jī)械的直接動(dòng)態(tài)勁度分量以開發(fā)出一種旋轉(zhuǎn)失速預(yù)報(bào)器。
本發(fā)明的另一個(gè)目地是要提供一種上述特征的方法和裝置，其確定機(jī)械的復(fù)動(dòng)態(tài)勁度，以開發(fā)出一種旋轉(zhuǎn)失速和喘振預(yù)報(bào)器。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種上述特征的方法和裝置，其利用來(lái)自一個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)以控制旋轉(zhuǎn)失速。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種上述特征的方法和裝置，其利用來(lái)自一個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)以控制喘振。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種上述特征的方法和裝置，其利用來(lái)自一個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)，以提供即時(shí)振動(dòng)抑制，防止轉(zhuǎn)子和／或密封系統(tǒng)損壞。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種快速動(dòng)作控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)特別監(jiān)測(cè)一個(gè)壓縮機(jī)軸的機(jī)械震動(dòng)(軸偏移)，并利用監(jiān)測(cè)的信號(hào)提供直接機(jī)械動(dòng)作，以在機(jī)械接近失速或失穩(wěn)條件時(shí)改變軸的偏移。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)異常，以替代地或附加地提供一個(gè)控制信號(hào)，利用該控制信號(hào)提供對(duì)于壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度或吸入／排放壓力之類的旋轉(zhuǎn)機(jī)械變量的改正動(dòng)作。
從第一優(yōu)點(diǎn)看，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種在一個(gè)具有一定流體通量的軸承支撐的旋轉(zhuǎn)機(jī)器中避免失速的診斷和改正方法，該方法包括步驟監(jiān)測(cè)機(jī)器繞其旋轉(zhuǎn)的軸的偏移；將該偏移與一種標(biāo)準(zhǔn)比較，并當(dāng)比較步驟指出機(jī)器接近失速時(shí)改變軸的偏移。
從第二優(yōu)點(diǎn)看，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種用于調(diào)諧旋轉(zhuǎn)機(jī)器以預(yù)防失速的方法，該方法包括步驟在機(jī)器中誘發(fā)失速，以確定該機(jī)器的失速特性；記錄至少導(dǎo)致失速條件的失速特性；對(duì)照記錄的失速特性監(jiān)測(cè)該機(jī)器，并在下一個(gè)失速開始前改正機(jī)器參數(shù)。
從第三優(yōu)點(diǎn)看，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種失速預(yù)防裝置，該裝置包括以下部分的組合一個(gè)具有一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)器；操作地耦合于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的監(jiān)測(cè)裝置；一個(gè)操作地耦合于機(jī)器用于改變機(jī)器參數(shù)的裝置，和插在監(jiān)測(cè)裝置和改變機(jī)器參數(shù)的裝置之間以便在接收到預(yù)失速條件指示時(shí)啟動(dòng)改變機(jī)器參數(shù)裝置的處理裝置。
從第四優(yōu)點(diǎn)看，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種用于在旋轉(zhuǎn)機(jī)器中診斷和控制旋轉(zhuǎn)失速的裝置，該裝置包括以下部分的組合用于感測(cè)有關(guān)軸進(jìn)動(dòng)的原始動(dòng)態(tài)機(jī)器振動(dòng)信號(hào)的裝置；用于將信號(hào)與機(jī)器失速條件范例比較的裝置；用于在比較步驟指出機(jī)器接近失速條件時(shí)改變軸進(jìn)動(dòng)的裝置。
從第五優(yōu)點(diǎn)看，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種在一個(gè)具有一定流體通量的軸承支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)器中防止失速的診斷和改正方法，該方法包括步驟監(jiān)測(cè)機(jī)器繞其旋轉(zhuǎn)的軸的偏移；計(jì)算機(jī)器的直接動(dòng)態(tài)勁度分量；作為直接動(dòng)態(tài)勁度分量中的落差的函數(shù)，改變軸的偏移。
在結(jié)合附圖考慮下面的詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，可以使這些和其它目的更為清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種防止失速的方法的總體方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種防止失穩(wěn)效應(yīng)的方法的總體方框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種防止失速的方法的總體方框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種通過(guò)觀察壓力圖防止失速的方法的總體方框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種防止喘振的方法的總體方框圖；圖6是一種為后續(xù)使用建立機(jī)器穩(wěn)定性余量的方法的總體方框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一種裝置的示意圖；圖8是由一對(duì)正交渦流位移傳感器感測(cè)的振動(dòng)信號(hào)的軌道表示，和由一機(jī)械相位傳感器感測(cè)的機(jī)械相位參考標(biāo)志；圖9是直接動(dòng)態(tài)和正交動(dòng)態(tài)勁度分量的動(dòng)態(tài)勁度曲線圖的圖形表示。
執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式參考附圖，其中在各附圖中所有的相同參考號(hào)代表相同的部件，參考號(hào)10代表根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法。
參考附圖，在本質(zhì)上本發(fā)明提供了一種用于通過(guò)測(cè)量機(jī)器的動(dòng)態(tài)勁度并計(jì)算直接動(dòng)態(tài)勁度和／或正交動(dòng)態(tài)勁度以用作不穩(wěn)定性警告裝置和用作診斷和糾正轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)失穩(wěn)效應(yīng)的診斷和糾正旋轉(zhuǎn)機(jī)器中失穩(wěn)效應(yīng)的方法和裝置。對(duì)于有關(guān)診斷的異常采取糾正動(dòng)作，這些動(dòng)作特別可以是以下形式提高軸承的勁度，增大通過(guò)機(jī)器M的流量，降低排放壓力和／或施加引起與測(cè)量的機(jī)器振動(dòng)相反的響應(yīng)的力。
本發(fā)明優(yōu)選包括一個(gè)監(jiān)測(cè)機(jī)器振動(dòng)以獲得稱為旋轉(zhuǎn)失速和喘振的操作異常情況，并預(yù)測(cè)、控制和抑制這種失速和喘振異常發(fā)生的主動(dòng)控制系統(tǒng)20。主動(dòng)控制系統(tǒng)最好包括多個(gè)液壓伺服軸承40，液壓伺服軸承40引導(dǎo)流體通過(guò)每個(gè)液壓軸承的入口，從而使流體壓力“F”能夠施加到機(jī)器M的轉(zhuǎn)子軸S。可以在機(jī)器M的內(nèi)側(cè)和外側(cè)成對(duì)使用伺服軸承40。此外，可以在鄰近機(jī)器M的止推軸承位置安裝一個(gè)組合的徑向止推伺服軸承50，用于在徑向和軸向和引導(dǎo)流體，分別抑制旋轉(zhuǎn)失速和喘振。在1996年12月4日申請(qǐng)的序列號(hào)為08／759415，名稱為“支撐旋轉(zhuǎn)裝置的流體靜力軸承，與之相關(guān)的流體操作系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)，方法和裝置”的美國(guó)專利申請(qǐng)中可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的液壓伺服軸承40，50的示例說(shuō)明，其整體內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
控制系統(tǒng)20提供操縱伺服軸承的控制信號(hào)，以便控制通過(guò)通向轉(zhuǎn)子軸S與固定液壓軸承之間公隙的入口，和通過(guò)至少一個(gè)通向機(jī)器的止推環(huán)的入口的流體流量，以在其上相互作用。流體在主動(dòng)控制和抑制旋轉(zhuǎn)失速和喘振的同時(shí)，抑制機(jī)器的徑向和軸向振動(dòng)。
此外，本發(fā)明提供了一種用于通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)橫向軸進(jìn)動(dòng)，和將這種進(jìn)動(dòng)與一種標(biāo)準(zhǔn)或范例比較，并在比較步驟指出機(jī)器接近失速條件時(shí)改變?cè)撨M(jìn)動(dòng)，而診斷和糾正旋轉(zhuǎn)機(jī)器中氣動(dòng)力的失穩(wěn)效應(yīng)的方法和裝置。優(yōu)選控制系統(tǒng)20包括一個(gè)軸向監(jiān)測(cè)裝置26，用于監(jiān)測(cè)軸向振動(dòng)，然后將動(dòng)態(tài)軸向振動(dòng)與一種標(biāo)準(zhǔn)或范例比較，并且在比較步驟指出機(jī)器接近失速或喘振條件時(shí)改變軸向振動(dòng)。也可以把本發(fā)明用于設(shè)計(jì)具有大失速余量機(jī)器所用的樣機(jī)。
參考圖1，2和7，將一對(duì)，或模式識(shí)別所需數(shù)量的正交渦流位移傳感器22，24操作地耦合于機(jī)器M，測(cè)量橫向軸進(jìn)動(dòng)。傳感器的輸出是振動(dòng)或機(jī)器M的軸的振動(dòng)的變化速率的連續(xù)電信號(hào)。傳感器也耦合于一個(gè)處理器／控制器20，以便收集、存儲(chǔ)和簡(jiǎn)化有關(guān)橫向軸進(jìn)動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。
除了正交傳感器之外，最好把一個(gè)機(jī)械相位傳感器28操作地耦合于機(jī)器M，用于感測(cè)有關(guān)，例如，機(jī)器M的旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械相位參考標(biāo)志。最好把這個(gè)相位傳感器用于確定機(jī)器的速度(RPM)，和用于使旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械角度與正交傳感器22，24的電信號(hào)相關(guān)聯(lián)，或與所有必要的傳感器相關(guān)聯(lián)。
因此，可以通過(guò)機(jī)械相位傳感器28監(jiān)測(cè)機(jī)器的速度，并且可以利用該對(duì)正交渦流位移傳感器22，24監(jiān)測(cè)包括振動(dòng)頻率在內(nèi)的機(jī)器振動(dòng)。此外，可以把一個(gè)力傳感器29操作地耦合到處理器／控制器30，并安裝在機(jī)器的至少一個(gè)軸承40的外殼上，用于測(cè)量擾動(dòng)力。然后，可以確定擾動(dòng)力的幅度和相位，以提供足夠的信息來(lái)計(jì)算機(jī)器的復(fù)動(dòng)態(tài)勁度，復(fù)動(dòng)態(tài)勁度包括直接動(dòng)態(tài)勁度(DDS)和正交動(dòng)態(tài)勁度(QDS)。作為選擇，擾動(dòng)力的幅度和相位可以經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先確定。對(duì)于一特定操作速度的復(fù)動(dòng)態(tài)勁度是用擾動(dòng)力矢量(FPerturbation)除以響應(yīng)矢量(RResponse)確定的。例如，F(xiàn)PerturbationRResponse=KDirect+jKQuadrature]]>和KQ=j(ω-λΩ)D其中ω=轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)速度；
λ=由于流體被軸拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)而造成的流體圓周平均速率；Ω=轉(zhuǎn)子速度；D=阻尼系數(shù)；和KD=KT-ω2m其中KT=系統(tǒng)的總彈性勁度(操作條件下的機(jī)械勁度加空氣動(dòng)力勁度)；ω=轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)速度；m=系統(tǒng)質(zhì)量。
更具體地講，直接動(dòng)態(tài)勁度(DDS)是直線作用于輸入力矢量的動(dòng)態(tài)勁度的分量，正交動(dòng)態(tài)勁度(QDS)是垂直作用于輸入力矢量的動(dòng)態(tài)勁度的分量。因此，直接動(dòng)態(tài)勁度和正交動(dòng)態(tài)勁度分量可以通過(guò)處理裝置30計(jì)算。通過(guò)監(jiān)測(cè)直接動(dòng)態(tài)勁度和正交動(dòng)態(tài)勁度的同時(shí)零轉(zhuǎn)換可以把計(jì)算的分量用作轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性警告裝置(請(qǐng)見圖2)。因此，可以監(jiān)測(cè)直接動(dòng)態(tài)勁度和正交動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)勁度的零值獲得零重合臨界點(diǎn)，即，相互重疊的零，并且如果達(dá)到了臨界點(diǎn)，那么可以采取糾正動(dòng)作。此外，參考圖1，在與，例如，一種標(biāo)準(zhǔn)的比較中可以把直接動(dòng)態(tài)勁度分量的落差指定用作失速警告裝置。
最好也把至少一個(gè)渦流位移傳感器26操作地耦合到機(jī)器M，測(cè)量軸向振動(dòng)。把軸向振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置操作地耦合到用于收集、存儲(chǔ)和簡(jiǎn)化與軸向軸振動(dòng)相關(guān)的軸向軸振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理裝置或數(shù)據(jù)捕獲和簡(jiǎn)化系統(tǒng)30。
參考圖7和8，可以處理從正交渦流位移傳感器22，24對(duì)的輸出，以獲得軌道數(shù)據(jù)曲線圖。軌道曲線圖將軸中心線的路徑表示為一個(gè)正交傳感器的AC電壓(振動(dòng)信號(hào))圖。軌道曲線圖提供了有關(guān)振動(dòng)幅度，徑向預(yù)負(fù)載方向，軸進(jìn)動(dòng)方向，和絕對(duì)及相對(duì)相位角的信息。進(jìn)動(dòng)是相對(duì)于進(jìn)動(dòng)方向的振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)方向是通過(guò)標(biāo)注振動(dòng)的最高峰值首先通過(guò)的那個(gè)傳感器，X或Y，從一個(gè)時(shí)基曲線圖確定的。如果，在其法線方向，軸上任意一點(diǎn)將首先通過(guò)該相同的傳感器，那么進(jìn)動(dòng)是向前的。如果不是，那么進(jìn)動(dòng)是反向的。因此，可以把監(jiān)測(cè)的機(jī)器速度和包括進(jìn)動(dòng)頻率的機(jī)器振動(dòng)與預(yù)定的機(jī)器標(biāo)準(zhǔn)比較。然后，在比較步驟指出機(jī)器接近失速時(shí)，可以改變軸進(jìn)動(dòng)(請(qǐng)見圖3)。
參考附圖，在使用和操作中，本發(fā)明提供了一種可以利用活動(dòng)軸承或伺服軸承40抑制壓縮機(jī)中旋轉(zhuǎn)失速造成的振動(dòng)，并且能夠從用于控制活動(dòng)軸承的控制系統(tǒng)信號(hào)提取有關(guān)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)的信息的旋轉(zhuǎn)失速抑制和控制系統(tǒng)20。這可以包括對(duì)不平衡和包括旋轉(zhuǎn)失速造成的振動(dòng)在內(nèi)的任何其它可能發(fā)生的非同步振動(dòng)的1X響應(yīng)。
活動(dòng)控制軸承將執(zhí)行旋轉(zhuǎn)失速造成的轉(zhuǎn)子振動(dòng)的即時(shí)抑制。與此同時(shí)，處理器／控制器模塊30可以分析控制信號(hào)。這個(gè)模塊將利用，例如，一個(gè)低通或帶通跟蹤濾波器觀察準(zhǔn)同步控制信號(hào)?？梢詫⑦@個(gè)模塊的輸出用于執(zhí)行多種任務(wù)。例如，可以把一個(gè)信號(hào)發(fā)送到喘振控制閥啟動(dòng)器34，啟動(dòng)器34打開喘振控制閥35，因而在使壓縮機(jī)操作點(diǎn)離開失速點(diǎn)時(shí)增大壓縮機(jī)流量。與此同時(shí)，可以向操作人員發(fā)送一個(gè)信號(hào)警報(bào)32，用聲音提醒機(jī)器操作人員壓縮機(jī)中發(fā)生了準(zhǔn)同步振動(dòng)。這種類型的系統(tǒng)優(yōu)于現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)失速控制系統(tǒng)之處在于，一旦檢測(cè)到失速，可以立即抑制由于失速造成的橫向振動(dòng)，從而預(yù)防了轉(zhuǎn)子損壞。然后，喘振控制閥34的啟動(dòng)將消除旋轉(zhuǎn)失速。
此外，可以利用一個(gè)喘振閥位置優(yōu)化器36主動(dòng)地控制喘振閥的位置，使壓縮機(jī)操作剛好保持在旋轉(zhuǎn)失速點(diǎn)之前。這可以用一個(gè)比活動(dòng)軸承速度相對(duì)低速的控制器進(jìn)行。
動(dòng)態(tài)壓力傳感器可以用來(lái)提供有關(guān)振動(dòng)原因的額外信息。因此，可以用壓力傳感器確認(rèn)旋轉(zhuǎn)失速已經(jīng)發(fā)生，然后控制系統(tǒng)可以采取行動(dòng)，或在必要時(shí)發(fā)出通知。因此，可以用來(lái)自振動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)失速，和提供即時(shí)振動(dòng)抑制，以防止轉(zhuǎn)子和／或密封系統(tǒng)損壞。
參考圖1，7和9，處理器／控制器30可以經(jīng)過(guò)感測(cè)參考標(biāo)志27的相位傳感器28和傳感器22，24分別監(jiān)測(cè)RPM和機(jī)器振動(dòng)?？梢园堰@種信息與實(shí)驗(yàn)或經(jīng)過(guò)力傳感器29確定的擾動(dòng)力一起用于確定直接動(dòng)態(tài)勁度分量KD。然后，可以監(jiān)測(cè)直接動(dòng)態(tài)勁度，以獲得有關(guān)失速的落差，和／或與一種標(biāo)準(zhǔn)比較。接著，可以采取糾正動(dòng)作，特別是通過(guò)提高軸承勁度，增加通過(guò)機(jī)器M的流量，減小排放壓力，和／或經(jīng)過(guò)伺服軸承40和／或反抗機(jī)器振動(dòng)的組合軸承50向旋轉(zhuǎn)軸施加流體力。
參考圖2，7和9，可以如上述那樣用處理器／控制器30計(jì)算Kdirect(KD)和Kquadrature(KQ)分量?？梢员O(jiān)測(cè)這兩個(gè)分量，并且在分量達(dá)到零重合的臨界點(diǎn)時(shí)，通過(guò)，特別是，經(jīng)過(guò)軸承提高Kdirect采取糾正行動(dòng)。
參考圖3，處理器／控制器30可以用于經(jīng)過(guò)相位傳感器28和傳感器22，24分別監(jiān)測(cè)RPM和包括頻率的機(jī)器振動(dòng)。機(jī)器速度(RPM)和振動(dòng)頻率可以與一個(gè)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)比較，以確定機(jī)器是否進(jìn)入失速，然后，作為比較的函數(shù)采取糾正動(dòng)作。糾正動(dòng)作可以采取，例如，降低RPM，經(jīng)過(guò)伺服軸承40，50施加與測(cè)量力的相位相差180度的力的形式。
參考圖4，可以用處理器／控制器30觀察來(lái)自機(jī)器速度和包括頻率的振動(dòng)的處理的壓力圖形。然后，可以把這些壓力圖形與一種標(biāo)準(zhǔn)比較，并根據(jù)比較步驟，采取糾正行動(dòng)，例如，增大通過(guò)機(jī)器的流量。
作為選擇，參考圖5，處理器／控制器30可以經(jīng)過(guò)壓力傳感器52和54監(jiān)測(cè)機(jī)器的吸入和排放壓力。可以把吸入排放比(吸入／排放)與一種標(biāo)準(zhǔn)比較，并且如果該比率接近有關(guān)一種不穩(wěn)定條件，例如喘振，的值，那么可以采取糾正動(dòng)作，例如降低排放壓力。
參考圖6，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)達(dá)到并把機(jī)器帶入旋轉(zhuǎn)失速和／或喘振條件的機(jī)器速度，包括頻率的振動(dòng)，吸入壓力，排放壓力和施加到機(jī)器的擾動(dòng)力確定范例或標(biāo)準(zhǔn)。然后，可以把這個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在處理器／控制器30的存儲(chǔ)器中，并在以后的使用中用作一種標(biāo)準(zhǔn)。
此外，盡管如此說(shuō)明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道可以采用許多結(jié)構(gòu)改進(jìn)和改造，而不脫離上面提出的和以下權(quán)利要求說(shuō)明的本發(fā)明的范圍和完整意義。
權(quán)利要求
1．一種在一個(gè)具有一定流體通量的軸承支撐的旋轉(zhuǎn)機(jī)器中防止失速的診斷和糾正方法，該方法包括步驟監(jiān)測(cè)一個(gè)機(jī)器繞其旋轉(zhuǎn)的軸的偏移；把偏移與一種標(biāo)準(zhǔn)比較，和在比較步驟指出機(jī)器接近失速時(shí)改變軸的偏移。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括監(jiān)測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)速度的步驟。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中監(jiān)測(cè)軸偏移的步驟包括監(jiān)測(cè)包括其頻率的機(jī)器振動(dòng)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中比較步驟進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)器的直接動(dòng)態(tài)勁度分量的步驟。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中改變步驟進(jìn)一步包括作為所述直接動(dòng)態(tài)勁度分量中落差的函數(shù)改變軸的偏移的步驟。
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中比較步驟進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)器的正交動(dòng)態(tài)勁度分量的步驟。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中改變步驟進(jìn)一步包括作為直接和正交動(dòng)態(tài)勁度分量的零交叉點(diǎn)的重合的函數(shù)改變軸的偏移的步驟。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中改變步驟進(jìn)一步包括在控制信號(hào)的指導(dǎo)下從至少一個(gè)閥把流體力引導(dǎo)到機(jī)器的旋轉(zhuǎn)軸的步驟。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中監(jiān)測(cè)軸偏移的步驟包括監(jiān)測(cè)軸的橫向進(jìn)動(dòng)。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括把橫向軸進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的步驟。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括處理所述電信號(hào)以標(biāo)識(shí)有關(guān)旋轉(zhuǎn)機(jī)器中失穩(wěn)條件的振動(dòng)標(biāo)記頻率的步驟。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中改變步驟進(jìn)一步包括在控制信號(hào)的指導(dǎo)下從至少一個(gè)閥將流體力引導(dǎo)到機(jī)器旋轉(zhuǎn)軸的步驟。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)器是一個(gè)壓縮機(jī)。
14．一種用于調(diào)諧旋轉(zhuǎn)機(jī)器以預(yù)防失速的方法，該方法包括步驟將失速引入機(jī)器以確定機(jī)器的失速特征；記錄至少導(dǎo)致失速條件的失速特征；相對(duì)于記錄失速特征監(jiān)測(cè)機(jī)器，和在一個(gè)后續(xù)失速開始前糾正機(jī)器參數(shù)。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)對(duì)多個(gè)不同速度的輸入擾動(dòng)力的頻率的前向轉(zhuǎn)子響應(yīng)分量濾波，計(jì)算非同步動(dòng)態(tài)勁度的步驟。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)獲得擾動(dòng)力與多個(gè)旋轉(zhuǎn)速度的濾波前向轉(zhuǎn)子響應(yīng)分量比率，確定非同步動(dòng)態(tài)勁度的步驟。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括從非同步動(dòng)態(tài)勁度確定直接動(dòng)態(tài)勁度分量的步驟。
18．根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括從非同步動(dòng)態(tài)勁度確定正交動(dòng)態(tài)勁度分量的步驟。
19．根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括把直接動(dòng)態(tài)勁度分量用作警告參數(shù)的步驟。
20．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括把直接動(dòng)態(tài)勁度和正交動(dòng)態(tài)勁度分量都用作不穩(wěn)定性警告參數(shù)的步驟。
21．根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括確定壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與停止?fàn)顟B(tài)的非同步動(dòng)態(tài)勁度之間的差，代表用作不穩(wěn)定性警告參數(shù)的空氣動(dòng)力地引起的動(dòng)態(tài)勁度的步驟。
22．一種失速預(yù)防裝置，包括以下部分的組合一個(gè)包括一個(gè)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)器；操作地耦合到所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的監(jiān)測(cè)裝置；操作地耦合到機(jī)器用于改變機(jī)器參數(shù)的裝置，和插入在所述監(jiān)測(cè)裝置和所述改變所述機(jī)器參數(shù)的裝置之間，使所述裝置能夠在遇到預(yù)失速條件指示時(shí)改變所述機(jī)器參數(shù)的處理裝置。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述監(jiān)測(cè)裝置包括用于監(jiān)測(cè)橫向軸進(jìn)動(dòng)的裝置。
24．根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述橫向軸進(jìn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置包括一對(duì)操作地耦合到機(jī)器以測(cè)量所述橫向軸進(jìn)動(dòng)的正交渦流位移傳感器。
25．根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述處理裝置包括一個(gè)操作地耦合到所述正交渦流位移傳感器對(duì)，用于收集、存儲(chǔ)和簡(jiǎn)化有關(guān)橫向軸進(jìn)動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)捕獲和簡(jiǎn)化系統(tǒng)。
26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)一步包括用于監(jiān)測(cè)軸向軸振動(dòng)的裝置。
27．根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述軸向振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置包括至少一個(gè)操作地耦合到機(jī)器以測(cè)量所述軸向軸振動(dòng)的渦流位移傳感器。
28．根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述軸向振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置操作地耦合到所述用于收集、存儲(chǔ)和簡(jiǎn)化有關(guān)軸向軸振動(dòng)的軸向軸振動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)捕獲和簡(jiǎn)化系統(tǒng)。
29．一種用于診斷和控制旋轉(zhuǎn)機(jī)器中旋轉(zhuǎn)失速的裝置，所述裝置包括以下部分的組合用于感測(cè)有關(guān)軸進(jìn)動(dòng)的原始動(dòng)態(tài)機(jī)器振動(dòng)信號(hào)的裝置；用于把所述信號(hào)與一個(gè)機(jī)器失速條件的范例比較的裝置；用于在比較步驟指示機(jī)器接近失速條件時(shí)改變軸進(jìn)動(dòng)的裝置。
30．一種在一個(gè)具有一定流體通量的軸承支撐的旋轉(zhuǎn)機(jī)器中防止失速的診斷和糾正方法，該方法包括步驟監(jiān)測(cè)一個(gè)機(jī)器繞其旋轉(zhuǎn)的軸的偏移；計(jì)算機(jī)器的直接動(dòng)態(tài)勁度分量；作為所述直接動(dòng)態(tài)勁度分量中落差的函數(shù)改變軸偏移。
31．根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中改變步驟進(jìn)一步包括在控制信號(hào)的指導(dǎo)下把流體力從至少一個(gè)閥引導(dǎo)到機(jī)器的旋轉(zhuǎn)軸，以改變軸的偏移，從而預(yù)防了機(jī)器的失速條件的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于通過(guò)在一個(gè)比較步驟指示機(jī)器接近失穩(wěn)條件時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)軸進(jìn)動(dòng)診斷和糾正旋轉(zhuǎn)機(jī)器20中旋轉(zhuǎn)失速和喘振的方法和裝置。也提供了軸向振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置26,用于監(jiān)測(cè)并且把機(jī)器的動(dòng)態(tài)軸向振動(dòng)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較,和在機(jī)器接近失穩(wěn)條件時(shí)改變軸向振動(dòng)。此外,本發(fā)明測(cè)量機(jī)器的復(fù)動(dòng)態(tài)勁度,計(jì)算直接動(dòng)態(tài)勁度和正交動(dòng)態(tài)勁度,并通過(guò)監(jiān)測(cè)直接動(dòng)態(tài)勁度和正交動(dòng)態(tài)勁度分量中的落差,用作失穩(wěn)警告裝置。一個(gè)改變旋轉(zhuǎn)失速和/或喘振的實(shí)施例是利用一個(gè)受控活動(dòng)伺服軸承40。
文檔編號(hào)G01M13/00GK1291123SQ99803023
公開日2001年4月11日 申請(qǐng)日期1999年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月19日
發(fā)明者唐納德·E·本特利 申請(qǐng)人:本特利內(nèi)華達(dá)有限公司