离心压缩机轴位移故障自愈调控及密封改进增效技术研究

论文摘要

本论文基于机械装备复杂系统故障自愈原理，针对石油化工等过程工业的心脏设备高压离心压缩机运转过程中存在由于转子轴向位移过大而引起的联锁停车问题和压缩机内泄漏大等重大问题，提出了轴位移故障自愈调控系统以及平衡盘密封改进方案，并对此进行了系统的理论与技术可行性论证，为解决石化以及其它过程设备的长周期与高效率运转提供了具有创新性的理论和技术基础。 高压离心压缩机是很多大型过程工业的心脏设备，其安全可靠性是整个过程装置安全可靠性中最关键的一个环节；压缩机又是高耗能装置，其运行效率往往是决定产品能耗的主要因素。从上世纪60年代开始，国际工程科技界开发了设备故障监测诊断技术，在工业企业逐步推行预知维修和智能维修，并推广采用紧急停车联锁系统。大型过程装置由个别设备发生故障而引起的非计划停车，不但会给企业带来巨大的经济损失以及对环境的污染，而且由于停车后装备的动态信息立即消失，很不利于对装备故障的判断及消除，往往导致在停车检修后重新启动时又有可能带来新的故障。 但是，根据系统故障自愈原理，某些过程设备的故障是不必停车就可以“治愈”的。具体到离心压缩机轴位移故障发生的原因和条件，本文指出主要是：离心压缩机转子的残余轴向力的影响因素众多，一方面在设计阶段的计算不易准确，导致压缩机固有的可靠性低；另一方面在压缩机运行过程中，由于工况的波动以及自身结构参数的变化往往会使残余轴向力增大，从而导致轴位移故障。在故障自愈理论的指导下，本文提出了轴位移故障自愈调控系统；基于计算流体力学理论和计算机数值分析技术，在本文中开发的转子轴向推力精确分析技术可以精确计算多种因素对转子轴向推力的影响，并且可以证明通过动态调整转子的残余轴向力使得转子保持轴向稳定是可行的；在本文中提出了将平衡盘的迷宫密封结构改变为迷宫-干气组合密封结构，不但有利于动态调整转子的残余轴向力，还可使压缩机的效率提高4％；论文还进行了基于流-热-固耦合的干气密封可靠性分析。论文的主要研究内容和具有技术创新性的研究成果如下： （1）阐述了故障自愈理论并提出轴位移故障自愈调控系统。基于故

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 故障自愈原理及研究的现实意义
• 1.2.1 故障自愈工程的技术内涵
• 1.2.2 装备故障“治疗”与防范的发展历程
• 1.2.3 装备系统故障产生和发展的规律
• 1.2.3.1 研究故障产生的条件,预测可能产生故障时的工况和状态
• 1.2.3.2 故障初始原因的早期探测和诊断
• 1.2.3.3 基于参数监测的故障自愈决策系统研究
• 1.2.4 故障自愈机制建模研究
• 1.2.5 装备自愈工程的科学依据
• 1.2.6 装备自愈工程的国内外发展现状
• 1.3 离心压缩机平衡盘密封现状及改进研究的现实意义
• 1.3.1 平衡盘密封的研究现状及改进研究的现实意义
• 1.3.2 干气密封的研究现状及发展趋势
• 1.4 本论文研究内容
• 1.5 本课题的难点
• 1.6 本课题的创新点
• 第二章 离心压缩机转子气动推力研究
• 2.1 离心压缩机转子轴向推力研究的历史与现状
• 2.1.1 转子轴向推力的组成
• 2.1.2 经验法
• 2.1.3 解析法
• 2.1.4 数值方法
• 2.2 计算流体力学方法
• 2.2.1 流体动力学控制微分方程
• 2.2.1.1 质量守恒方程
• 2.2.1.2 动量守恒方程（Navier-Stokes方程）
• 2.2.1.3 能量方程
• 2.2.1.4 控制方程的通用形式
• 2.2.2 湍流物理模型
• 2.2.2.1 湍流流动概述
• 2.2.2.2 湍流的Reynolds方程
• 2.2.2.3 涡粘模型
• 2.2.2.4 Reynolds应力方程模型（RSM）
• 2.2.3 壁面模型
• 2.2.3.1 近壁区流动的特点
• 2.2.3.2 壁面函数法
• 2.2.4 控制方程的守恒型与非守恒型形式及单质条件
• 2.2.4.1 控制方程的守恒型与非守恒型
• 2.2.4.2 初始条件与边界条件
• 2.2.5 有限容积法简介
• 2.2.6 建立离散方程的控制容积法
• 2.3 计算实例
• 2.3.1 流体模型
• 2.3.1.1 可压缩流体与不可压缩流体
• 2.3.1.2 理想流体模型与粘性流体模型
• 2.3.2 热力计算
• 2.3.3 网格密度研究
• 2.3.4 边界条件设置
• 2.4 计算结果分析
• 2.4.1 轮盖侧间隙内的流场分析结果
• 2.4.1.1 流体的面内速度分布
• 2.4.1.2 流体切向速度分布
• 2.4.1.3 流体压力分布
• 2.4.1.4 叶轮两侧间隙内的流量系数
• 2.4.2 轮盘侧间隙内的流场分析结果
• 2.4.2.1 流体在子午面内的速度分布
• 2.4.2.2 流体切向速度分布
• 2.4.2.3 流体压力分布
• 2.4.2.4 叶轮两侧间隙内的流量系数
• 2.4.3 轴向推力计算结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 离心压缩机轴位移故障自愈系统研究
• 3.1 轴位移故障概述及自愈调控的现实意义
• 3.2 离心压缩机转子轴位移故障自愈系统研究
• 3.2.1 轴向力自适应调控原理研究
• 3.2.1.1 轴位移的组成
• 3.2.1.2 止推轴承的安全区域
• 3.2.1.3 离心压缩机转子运行中影响气动推力的因素
• 3.2.1.4 转子轴向推力自适应调控原理
• 3.2.2 轴位移故障诊断专家系统
• 3.2.3 轴位移故障自愈策略
• 3.3 自愈调控实例
• 3.3.1 实例1
• 3.3.2 实例2
• 3.3.4 实例3
• 3.3.4 实例4
• 3.3.5 实例5
• 3.3.6 实例6
• 3.4 本章小结
• 第四章 故障自愈调控试验台研制
• 4.1 实验台主体
• 4.1.1 主体结构的组成
• 4.1.2 基本功能
• 4.1.3 转子动力学特性
• 4.2 流程及控制
• 4.3 压缩空气站
• 4.4 润滑油系统
• 第五章 平衡盘密封改进技术研究
• 5.1 迷宫密封及其优缺点
• 5.2 干气密封的工作原理及受力分析
• 5.2.1 干气密封的工作原理
• 5.2.2 干气密封轴向力平衡
• 5.2.3 干气密封的主要性能参数
• 5.2.4 密封面的结构几何参数
• 5.3 平衡盘密封结构研究
• 5.3.1 组合式密封系统结构设计
• 5.3.2 气体密封端面结构参数确定及优化
• 5.3.2.1 组合式密封方案设计
• 5.3.2.2 最小闭合力
• 5.3.2.3 初步设计
• 5.4 数值模拟
• 5.4.1 迷宫密封泄漏量的计算
• 5.4.1.1 迷宫密封泄漏量计算的简化公式
• 5.4.1.2 结构参数及工况
• 5.4.1.3 计算分析模型
• 5.4.1.4 计算结果分析
• 5.4.1.5 密封间隙对泄漏量的影响
• 5.4.1.6 间隙的变化对转子气动推力的影响
• 5.4.1.7 数值计算结果试验验证
• 5.4.2 干气密封内部流场模拟
• 5.4.2.1 物理模型
• 5.4.2.2 连续性和流动状态的判别
• 5.4.2.3 模型及边界条件的设置
• 5.4.2.4 气膜密封特性的计算
• 5.4.2.5 收敛性检查
• 5.4.2.6 计算结果及结果分析
• 5.4.2.7 端面密封结构参数优化设计
• 5.4.2.8 端面密封结构参数的选择
• 5.4.3 干气密封的平衡系数
• 5.5 试验台设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 干气密封试验研究
• 6.1 试验台介绍
• 6.2 密封端面结构参数及性能
• 6.3 小平衡系数干气密封试验
• 6.4 试验结果和计算结果对比
• 6.4.1 密封压力为1.35MPa时的计算结果
• 6.4.2 密封压力为1.6MPa时的计算结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于干气密封流-热-固耦合的可靠性分析
• 7.1 干气密封流-热-固耦合分析的内涵
• 7.1.1 基本理念
• 7.1.2 数值分析方法介绍
• 7.2 流体机械中流固耦合计算方法的发展
• 7.2.1 流-热-固耦合技术概述
• 7.2.2 流固耦合发展历史、现状及展望
• 7.2.3 干气密封流-热-固耦合分析的基本过程
• 7.2.3.1 流场-温度场耦合
• 7.2.3.2 流场-温度场-应力场耦合
• 7.3 干气密封系统流场-温度场耦合分析
• 7.3.1 干气密封的热量平衡
• F的简化计算及数值分析方法'>7.3.1.1 Q_F的简化计算及数值分析方法
• A的计算方法'>7.3.1.2 Q_A的计算方法
• 2的计算'>7.3.1.3 Q₂的计算
• 3的计算'>7.3.1.4 Q₃的计算
• 7.3.1.5 对流换热系数的确定
• 7.3.1.6 干气密封系统流场-温度场分析模型
• 7.3.2 干气密封系统的工况参数和初步非等温流场分析
• 7.3.2.1 计算所取的工况参数
• 7.3.2.2 温度场数值计算结果分析
• 7.3.3 干气密封系统参数优化及温度场分析结果
• 7.3.4 小结
• 7.4 干气密封系统流-热-固耦合研究
• 7.4.1 密封环的力变形和热变形
• 7.4.2 力变形和热变形的影响因素
• 7.4.3 耦合分析模型介绍
• 7.4.3 静环变形计算
• 7.5 参数化计算程序开发
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 论文的主要成果
• 8.2 未来研究与发展方向
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介