优化的轴承和阻尼器可提供抑制振动的长期解决方案

在过去 13 年中,一家南美大型石油公司的维护部门努力抑制三个气体回注压缩机组中反复出现的高振动。 为降低机器跳闸的可能性,技术人员每年对每台压缩机进行一次或两次现场平衡,并且每年更换磨损的可倾瓦径向 (TPJ) 轴承和 O 形环阻尼器。 因实施这些预防措施以及因压缩机组跳闸而导致的停机每年造成了 1% 的容量损失,并且导致更多的气体燃烧。

该公司找到了 Bearings Plus 来提供长期解决方案。 在对这些压缩机进行彻底分析以及对受损组件进行检查后,得出了一个由两部分组成的解决方案: Flexure Pivot® 可倾瓦径向轴承ISFD® 技术(整体式挤压油膜阻尼器)。

2013 年,这些压缩机使用优化的轴承和阻尼器重新投入了使用(图 1)。 自那时起,这些压缩机就表现出了不会随时间而增长的较低振动水平。 它们尚未出现跳闸,并且还无需进行现场平衡来实现持续运行。 总体效率提高了近 1%,工厂利润也已提高。

图 1:采用整体式挤压油膜阻尼器技术的弹性支撑可倾瓦径向轴承

查找根本原因

2000 年投入运行的每个压缩机组均有两个外壳:低压 (LP) 外壳和高压 (HP) 外壳。 仅在第一个低压外壳中发生了振动问题。

主机厂轴承为 5 轴瓦的瓦上负载点接触支撑可倾瓦径向轴承,轴承外径小于机壳孔,可提供挤压油膜阻尼器功能。 在这些轴承的两端都安装了 O 型圈,以提供刚度并控制阻尼器泄漏。

每次直接更换主机厂轴承后,转子振动就会暂时减少。 但随着几个月的磨损,振动会再次增加,这需要重复维护和更换轴承。

检查卸下的主机厂轴承发现可倾瓦和轴承壳孔上有严重的支撑磨损(图 2)。 这种磨损在五个月的时间内使轴承间隙增加了 63 微米或更多,从而导致了令人担忧的振动。 O 型圈无法在静态偏转下提供对中能力,再加上更大的振动,从而导致了轴承在外壳中触底(图 3),并降低了油膜阻尼器的性能。 随时间的推移,这些因素汇聚在一起,从而使这些压缩机的低压外壳中的振动增加。

图 2:点接触支撑可倾瓦(左)和轴承壳孔(右)上的支撑磨损

图 3:因触底导致的主机厂轴承外径损坏

解决难题

由于反复出现振动的两个根本原因 – 支撑磨损和不可靠的挤压油膜阻尼器性能,因此实施了两种解决方案的组合。

为解决支撑磨损,Bearings Plus 应用了其专有的 弹性支撑可倾瓦径向轴承。 弹性支撑设计具有一个轴瓦和一个作为轴承壳完整部分的支撑,这可消除在轴瓦倾斜时轴瓦与外壳之间的金属接触(图 4)。 电火花加工 (EDM) 轴承制造方法可严格控制间隙和预紧力,以实现轴承优化。 通过消除支撑磨损,弹性支撑可倾瓦径向轴承可永久保持原始轴承间隙和原始预紧力,它们的变化会导致振动。

该解决方案的第二部分是使用已获专利的 整体式挤压油膜阻尼器技术 来替代 O 型圈挤压油膜阻尼器。 像弹性支撑可倾瓦一样,整体式挤压油膜阻尼器设计是通过电火花加工作为轴承本身的一部分加以制造的,而不是单独制造的。 与 O 型圈阻尼器相比,该设计具有许多好处,其中包括精确的刚度控制、优化的阻尼,以及在静态负载下能够将转子对中。 此外,整体式挤压油膜阻尼器技术还可消除刚度和阻尼随时间的变化。 整体挤压油膜阻尼器不会像 O 型圈那样出现退化或导致轴承触底。

Bearings Plus 通过对压缩机进行全侧向转子动力学分析,确定了用于气体回注压缩机的整体式挤压油膜阻尼器的最佳刚度和阻尼。 由于弹性支撑和整体式挤压油膜阻尼器设计的小巧尺寸特性,因此安装了新轴承来直接替代主机厂轴承。

图 4:传统接触点可倾瓦(左)和弹性支撑可倾瓦(右)

久经验证的卓越品质

通过使用优化的轴承和阻尼器,这三台升级的压缩机均表现出了显著改进。 通过此次升级,压缩机 A 的振动下降了一半以上,压缩机 B 的振动从 90微米下降到了50微米 以下(图 5),压缩机 C 的振动下降到了30 微米以下。 随时间的推移,这些压缩机保持着较低的振动水平(图 6)。 此外,采用整体式挤压油膜阻尼器技术的优化弹性支撑可倾瓦径向轴承还消除了在使用 O 型圈阻尼器时所出现的较小次同步振动。

在轴承升级后的两年半时间里,压缩机无需进行现场平衡,也未出现跳闸,并且未更换轴承。 Bearings Plus 提供的这些压缩机的第一组优化轴承和阻尼器仍像新轴承一样继续工作。 不仅修复了振动问题,而且这些压缩机的整体效率还提高了 1%,从而提高了工厂利润。

图 5:在使用主机厂轴承时 6 个月内的压缩机振动趋势,然后为在使用升级轴承时 10 个月内的压缩机振动趋势。

图 6:在使用一系列主机厂轴承时约 1,000 天内的压缩机振动趋势,然后为类似时间段内优化轴承的性能。 优化轴承的振动保持稳定,未出现问题,也未更换轴承。

长期解决方案

尽管将磨损的轴承换成另一组采用相同设计的轴承可提供权宜之计,但其最终会因维护、更换和生产损失而产生额外成本。 先进行转子动力学分析再实施优化轴承可减少或消除旋转设备中的振动问题,以及实现长期投资回报。 解决振动的根本原因是最有效、最具成本效益的解决方案。

案例研究 最初发表于 2016 年 2 月 22-25 日在新加坡举办的第一届亚洲透平机械及泵阀机械展览会 (ATPS),作者为 Bearings Plus 高级顾问工程师以及沃科夏轴承高级首席工程师 Jong Kim 博士。 该演示文稿是由南美一家大型石油公司的高级维护工程师 Marcio Felipe dos Santos 与沃科夏轴承首席工程师 Barry J. Blair 共同创作的。 在作者以及德克萨斯州大学城 德克萨斯农工大学透平机械实验室的许可下进行了改编。

弹性支撑可倾瓦

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