評估致流機(jī)操作狀態(tài)的方法和致流機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及評估致流機(jī)，特別是泵，的操作狀態(tài)的方法，以及根據(jù)獨立權(quán)利要求前序部分的致流機(jī)，特別是泵。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪機(jī)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?fù)p害這些機(jī)器的操作行為的振動水平增加相關(guān)。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(zhuǎn)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(jī)械固有頻率，以及靜止機(jī)器部件的機(jī)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(dǎo)致葉輪(也被稱作葉片輪或轉(zhuǎn)子)毀壞，或者損壞或毀壞致流機(jī)的其他機(jī)器零件。
[0004]由于實際上上述類型的所有現(xiàn)代高性能機(jī)器，特別是高性能泵，都可變速地操作，所以因轉(zhuǎn)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(xiàn)象特別地與部分載荷操作中的RSI壓力脈動現(xiàn)象疊加。局部脫離影響泵的液壓通道中的流的結(jié)構(gòu)，并可導(dǎo)致進(jìn)一步的變形和其他頻率的振動。
[0006]在此方面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，盡管除了設(shè)計體積流量(S卩，處于被設(shè)計進(jìn)行常規(guī)操作的泵的操作范圍中)的不可避免的機(jī)械不平衡之外僅RSI壓力脈沖對葉輪的變形有貢獻(xiàn)，但在部分載荷情況下可發(fā)生靜止和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。
[0007]定子中的靜止脫離(其顯示為高壓的不旋轉(zhuǎn)區(qū)域，跟隨以沿旋轉(zhuǎn)方向的導(dǎo)流片的吸力表面上的壓降)導(dǎo)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(zhuǎn)頻率處。
[0008]可能的是，在特定體積流量處，此高壓區(qū)域開始慢慢地或多或少地旋轉(zhuǎn)，就是說脫離，即，脫離區(qū)域形成并因此不再保持空間靜止。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，此脫離區(qū)域?qū)C(jī)械載荷(例如泵級)有顯著影響。在此方面，還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，移動或旋轉(zhuǎn)脫離區(qū)域甚至可能要對葉輪的最大變形(特別是葉輪的蓋盤)負(fù)責(zé)，這種變形可能是由轉(zhuǎn)子-定子相互作用導(dǎo)致的變形的數(shù)倍大。在此方面，因脫離而引起的局部壓力增加產(chǎn)生了在旋轉(zhuǎn)脫離情形中大體以脫離的角速度循環(huán)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(xiàn)象。在此方面可示出，轉(zhuǎn)子軸的波中心直接由脫離區(qū)域的位置決定。
[0010]這可負(fù)面地影響泵的轉(zhuǎn)子動態(tài)，但在另一方面可用于確定旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，因為不總是能利用外部壓力傳感器識別旋轉(zhuǎn)脫離。
[0011]此外，已知定子中存在的脫離不利地影響輪側(cè)湍流。以小周向速度的流體流入，即，充分地減小輪側(cè)空間中的流體旋轉(zhuǎn)并因此影響輪側(cè)空間中的壓力分布和從其得到的靜止和瞬態(tài)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(xiàn)有技術(shù)已知的現(xiàn)象及與其相關(guān)的問題以及利用軸振動測量方法進(jìn)行的它們的檢測已經(jīng)由發(fā)明人在泵的特定情形中詳細(xì)檢查并已經(jīng)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(jī)的操作中及時確定所述致流機(jī)何時處于上述不希望的操作狀態(tài)。如已經(jīng)提及的，如果未及時識別出這類操作狀態(tài)并且如果未及時采取使機(jī)器盡可能快地再次返回非損壞操作狀態(tài)的對應(yīng)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(jī)器。
[0014]遺憾的是，這些操作狀態(tài)及與其相關(guān)的以上詳細(xì)描述的復(fù)雜耦合的振動過程可能不易被識別。如已經(jīng)提及的，原則上，靜止的和瞬態(tài)的(即隨時間變化的)壓力波動和流動現(xiàn)象，特別是靜止和旋轉(zhuǎn)的脫離，原則上可利用軸振動測量方法經(jīng)由檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸或機(jī)器的葉片輪的偏離來間接地證明。但是，已經(jīng)表明，以此方式獲得的數(shù)據(jù)不容許對致流機(jī)中的壓力波動和流動現(xiàn)象做出任何普遍性結(jié)論，并因此不容許對其當(dāng)前操作狀態(tài)做出任何結(jié)論，就是說，不能基于這種數(shù)據(jù)進(jìn)行操作狀態(tài)評估。
[0015]其原因是機(jī)器及其具體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的流體的方式和狀態(tài)以及技術(shù)人員熟知的其他因素都顯著地影響轉(zhuǎn)子軸的振動行為，即，轉(zhuǎn)子軸的依賴時間的偏尚行為。
[0016]換言之，如果在特定應(yīng)用中和預(yù)定操作情況下觀察特定的單個機(jī)器，則基于轉(zhuǎn)子軸的依賴時間的移動對靜止和/或瞬態(tài)的(即隨時間變化的)的壓力波動和流動現(xiàn)象(這在機(jī)器中實際發(fā)生)不能得出清楚的結(jié)論，特別是對有害的靜止和旋轉(zhuǎn)脫離不能得出清楚的結(jié)論。
[0017]這僅在以下情況中是可能的，S卩，預(yù)先在單個機(jī)器處執(zhí)行很詳細(xì)校準(zhǔn)的測量，并且實際上同時考慮機(jī)器稍后計劃在其中操作的非常具體的應(yīng)用，就是說，例如依賴于待被泵送或渦輪旋轉(zhuǎn)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(qū)動的強(qiáng)度和方式、待被泵送的流體的操作溫度以及許多其他相關(guān)參數(shù)。在數(shù)學(xué)方面:僅可通過以下方式得出有用的結(jié)論，即，通過由轉(zhuǎn)子軸從靜止位置的依賴時間的偏離實際產(chǎn)生的靜止的和/或瞬態(tài)的(即隨時間變化的)壓力波動和流動現(xiàn)象，利用軸向和/或徑向軸振動測量方法，即，根據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸位置的依賴時間的測量，當(dāng)已知機(jī)器的很復(fù)雜的“傳遞函數(shù)”并且詳細(xì)考慮特定操作情況時，在一方面，這在壓力波動和流動現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的隨時間變化的軸向偏離之間建立聯(lián)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(jī)器執(zhí)行上述很復(fù)雜的校準(zhǔn)測量，并且同時考慮所有可能想象到的操作參數(shù)，等等，以便隨后能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的徑向和/或軸向偏離移動的測量得出正確結(jié)論。
[0019]但是，此過程不僅非常復(fù)雜，且因此昂貴，并且在實踐中不總是能可靠地執(zhí)行。如已經(jīng)提及的，例如，待經(jīng)機(jī)器處理的流體的種類也可能起作用。但是，其性質(zhì)在許多情形中不能提前精確地知道，或者可在致流機(jī)的操作過程中以不可預(yù)見的方式改變。例如，如果將要泵送諸如原油的物質(zhì)，則原油的稠度可按完全不可預(yù)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(xué)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(jìn)行的校準(zhǔn)(即最終使用的傳遞函數(shù))不再正確，并因此根據(jù)測量的轉(zhuǎn)子軸偏離得出不正確的結(jié)論。流體的溫度、泵暴露于的環(huán)境溫度或技術(shù)人員本身已知的其他參數(shù)也能以不可預(yù)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(tài)，這會導(dǎo)致機(jī)器受損甚至毀壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]因此，本發(fā)明的目的是提出一種新的檢測致流機(jī)(特別是泵)的有害操作狀態(tài)的方法，利用該方法，能夠可靠地檢測到操作狀態(tài)中實際發(fā)生的靜止的和/或瞬態(tài)的(即隨時間變化的)壓力波動和流動現(xiàn)象，并且可避免現(xiàn)有技術(shù)已知的問題。
[0021]滿足此目的的本發(fā)明的主題由獨立權(quán)利要求1和12的特征來特性化。
[0022]從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的特別有利的實施例。
[0023]因此，本發(fā)明涉及評估致流機(jī)的操作狀態(tài)的方法，致流機(jī)包括布置在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸處的葉輪，并且具有葉輪的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸被支撐在軸承中，可在致流機(jī)的機(jī)器外殼中圍繞軸向方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明，在致流機(jī)的操作狀態(tài)中利用第一力傳感器沿第一方向測量作用在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(yōu)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(jù)此在致流機(jī)的預(yù)定操作狀態(tài)中執(zhí)行操作狀