摘要

       美国石油学会（API）最近实施了离心式压缩机转子动力学稳定性的新规范。规范包含了Level I，作为迷宫密封和气动激励的不稳定效应的近似。修正的Alford方程用于估计不稳定的影响作用。如果压缩机不满足Level I规范，那就采用更复杂的Level  II分析，这需要更详细的迷宫密封分析。

       本文考虑了现代高压离心压缩机的五个典型不稳定情况的实例。在应用API I级和II级稳定性分析后，进行了设计更改优化以稳定压缩机。对于这些情况，API稳定性规范用于识别对转子稳定性影响最大的部件。对平衡活塞密封和叶轮密封进行了具体详细的分析。将修正的Alford方程应用于多级压缩机，用于分析其适用性，并与全迷宫密封分析进行了比较。讨论了迷宫密封分析的重要因素，如密封间隙效应、入口涡流效应、间隙效应。最后，提出了一种计算迷宫密封交叉耦合力的方法。对于所有五个实例压缩机，与迷宫计算力相比，修正的Alford力将导致出现最差的稳定性水平。

前言

       随着转速和额定功率的提高，离心压缩机的转子不稳定性成为20世纪60年代的一个主要问题。不稳定的压缩机具有很高的次同步振动，其振动频率与转子的第一基本固有频率一致。20世纪70年代初，两个著名和经典的离心压缩机不稳定情况被称为Kaybob（史米斯，1975；FoeLee and Males，1975）和Ekofisk（Grouy，等人，1976）。这两个问题的解决方案代价高昂，费时费力，最终对转子进行了重新设计。

       基于这些经验结果，转子系统稳定性的评估已经成为转子动力学分析和旋转机械设计的重要部分。最常见的是，最低或第一模态，对应于转子的第一基本固有频率，再次被激发后，将导致次同步振动和转子不稳定。稳定性或阻尼固有频率分析的主要结果是对方程解的根值或特征值的处理，一方面通过实部进行稳定性预测，另一方面，通过虚部来预测不稳定频率。

       本文的主要目的是考察几种工业离心压缩机的稳定性结果。通过与Kirk（1988a，1988b，1990）的API Level II的迷宫密封计算力的比较，对API Level I修正的Alford交叉耦合力进行了计算，以确定它是否确实可近似为一个保守的压缩机失稳力。此外，进行了详细的迷宫密封分析，以确定哪些参数是影响离心压缩机稳定性的关键因素，主要包括轴承间隙公差范围、迷宫密封间隙和迷宫密封入口涡流效应等参数。

KAYBOB不稳定性

       首先将简要介绍Kaybob不稳定性（Smith，1975；FoeLee and Males，1975）。该九级低压天然气喷射压缩机于1971在加拿大阿尔伯塔投产。关键运行参数总结在表1中。最大持续速度（MCS）为11400rpm，入口压力1150 psi，出口压力3175 psi，18MW气体。轴承跨度Lb，与中轴直径Dms之比为13.2，表明轴非常的flexible。压缩机的横截面如图1所示。

       不稳定性的严重程度可以在图2的轴心轨迹上看到。通过观察，五瓦块可倾瓦滑动轴承的轮廓线在6×9mils的峰-峰值轴心轨迹图中非常明显。图3中，突然出现的6.3mils的不稳定现象，显然是一种次同步振动，是由激发起的压缩机一阶临界转速所致。

       消除不稳定性的尝试包括轴承重新设计、油封修改、迷宫密封修改、平衡活塞修改、无叶扩散器改型、挤压油膜阻尼器改型，以及最后至少两个转子重新设计（图4）。第二转子重新设计包括增加中轴直径。最初，使用现有的叶轮锻件，切割和焊接叶轮轮毂，以增加叶轮内径以适应轴直径的增加（图5）。

       显然，这种努力代价高昂。然而，它与Ekofisk不稳定性问题一起，提供了改进分析的可能，最终呈现出来现有的稳定性和迷宫密封型式以及新的API稳定性规范

对数衰减率

       稳定性分析和API稳定性验收准则的关键参数是对数衰减率。对数衰减率是自由振荡衰减率的量度，也是确定系统中存在的阻尼参数的简便方法。阻尼值越大，衰减率越快，系统的稳定性也越好。

       对数衰减率被定义为任何两个连续振幅的比值的自然对数。参考图6，对数衰减率定义为：。

       对于稳定的系统，具有正的衰减速率，对数衰减率为正。对于具有负衰减率的不稳定系统，对数衰减率为负。具有正对数衰减率的稳定系统包含足够的阻尼来克服初始激励。由此产生的位移将随着时间消散。相反，对数衰减率为负值的不稳定系统，没有足够的阻尼来克服初始激励，随着时间的推移将导致位移增加。

       对数衰减率也可以用特征值的实部s和虚部ωd表达：