[发明专利]评估致流机操作状态的方法和致流机

说明书

技术领域

本发明涉及评估致流机，特别是泵，的操作状态的方法，以及根据独立权利要求前序部分的致流机，特别是泵。

背景技术

涡轮机或泵（具体是但不仅是离心泵）的部分载荷操作通常与不利地损害这些机器的操作行为的振动水平增加相关。在此方面，引起振动水平增加的原因常常在流体动力过程中找到，除其他因素之外，其具体由部分载荷操作决定。

也就是说，旋转和静止流场之间的相互作用引起在空间和时间上分布的压力场，其可激起叶轮的机械固有频率，以及静止机器部件的机械固有频率。这些振动，如果未充分衰减的话，在最坏的情形中可导致叶轮（也被称作叶片轮或转子）毁坏，或者损坏或毁坏致流机的其他机器零件。

由于实际上上述类型的所有现代高性能机器，特别是高性能泵，都可变速地操作，所以因转子-定子相互作用（RSI）而引起的压力脉动激起叶轮的固有频率的操作点在实际中几乎是不可避免的。

在此方面，另一现象特别地与部分载荷操作中的RSI压力脉动现象叠加。局部脱离影响泵的液压通道中的流的结构，并可导致进一步的变形和其他频率的振动。

在此方面已经发现，尽管除了设计体积流量（即，处于被设计进行常规操作的泵的操作范围中）的不可避免的机械不平衡之外仅RSI压力脉冲对叶轮的变形有贡献，但在部分载荷情况下可发生静止和旋转不稳定。

定子中的静止脱离（其显示为高压的不旋转区域，跟随以沿旋转方向的导流片的吸力表面上的压降）导致额外的压力脉动，这在叶轮中显示为压力脉动，特别是在叶轮及其谐振部件的旋转频率处。

可能的是，在特定体积流量处，此高压区域开始慢慢地或多或少地旋转，就是说脱离，即，脱离区域形成并因此不再保持空间静止。已经发现，此脱离区域对机械载荷（例如泵级）有显著影响。在此方面，还已经发现，移动或旋转脱离区域甚至可能要对叶轮的最大变形（特别是叶轮的盖盘）负责，这种变形可能是由转子-定子相互作用导致的变形的数倍大。在此方面，因脱离而引起的局部压力增加产生了在旋转脱离情形中大体以脱离的角速度循环的径向力。

原则上，可借助于径向和/或轴向轴振动测量方法来证明此现象。在此方面可示出，转子轴的波中心直接由脱离区域的位置决定。

这可负面地影响泵的转子动态，但在另一方面可用于确定旋转不稳定性，因为不总是能利用外部压力传感器识别旋转脱离。

此外，已知定子中存在的脱离不利地影响轮侧湍流。以小周向速度的流体流入，即，充分地减小轮侧空间中的流体旋转并因此影响轮侧空间中的压力分布和从其得到的静止和瞬态的（即随时间变化的）轴向或径向力，这也可以存在于其他中并且适时周期性地增加和减小。这也可以利用轴向和/或径向轴振动测量来证明。

这些现有技术已知的现象及与其相关的问题以及利用轴振动测量方法进行的它们的检测已经由发明人在泵的特定情形中详细检查并已经在其论文“Hydrodynamics of High Specific Pumps for Off-Design Operating Conditions”，（论文号4642 (2010), école Polytechnique Fédérale de Lausanne）中公开。

在此方面很重要的是，在致流机的操作中及时确定所述致流机何时处于上述不希望的操作状态。如已经提及的，如果未及时识别出这类操作状态并且如果未及时采取使机器尽可能快地再次返回非损坏操作状态的对应反制措施，则会显著损坏，或在最坏的情形中，毁坏叶轮，甚至整个机器。

遗憾的是，这些操作状态及与其相关的以上详细描述的复杂耦合的振动过程可能不易被识别。如已经提及的，原则上，静止的和瞬态的（即随时间变化的）压力波动和流动现象，特别是静止和旋转的脱离，原则上可利用轴振动测量方法经由检测转子的转子转轴或机器的叶片轮的偏离来间接地证明。但是，已经表明，以此方式获得的数据不容许对致流机中的压力波动和流动现象做出任何普遍性结论，并因此不容许对其当前操作状态做出任何结论，就是说，不能基于这种数据进行操作状态评估。

其原因是机器及其具体结构的尺寸和几何形状，其功率方面或体积流量方面的配置、被泵送或涡轮旋转的流体的方式和状态以及技术人员熟知的其他因素都显著地影响转子轴的振动行为，即，转子轴的依赖时间的偏离行为。

换言之，如果在特定应用中和预定操作情况下观察特定的单个机器，则基于转子轴的依赖时间的移动对静止和/或瞬态的（即随时间变化的）的压力波动和流动现象（这在机器中实际发生）不能得出清楚的结论，特别是对有害的静止和旋转脱离不能得出清楚的结论。