高速齒輪傳動離心式壓縮機轉子制造關鍵技術

張慶祥

（中國石油化工股份有限公司巴陵分公司，湖南 岳陽 414007）

GT032TIG2型離心式壓縮機轉子部件大都依靠進口，如設備出現故障，需要國外的公司來修理，而且設備的維修和維護費用全部由購買方提供。另外，相關配件也需要從國外的制造商處進口，不僅成本較高，維護周期長后，有時會造成停工，嚴重影響整個生產線的穩定運行，造成的經濟損失無法估量的。因此，國內自主生產研究離心式壓縮機的轉子是一種必然趨勢，不但能滿足生產需要，還可以從中學習生產工藝和技術經驗，不僅節省成本，縮短核心設備檢修周期，并在技術升級起到了積極的作用，具有十分重要的研究價值和實用意義。

對于GT032TIG2型離心式壓縮機轉子而言，影響生產可行性的因素有葉輪軸向力、齒輪工作強度，但其關鍵在于弄清楚進口轉子的材料。文章在研究轉子化學成分的基礎上，確定轉子材料，并對該材料下葉輪軸向力和齒輪工作強度進行驗算，并提出相應生產設計方案，生產出來的壓縮機轉子就能夠滿足工業生產需求。

1 壓縮機轉子失效特點

壓縮機轉子部件主要起到對渦輪傳遞動力的作用，故稱作壓縮機轉子軸。為了實現該壓縮機轉子部件的國產化，首先弄清楚進口壓縮機轉子的材料。為此，選取長時間工作后，出現裂紋的一段轉子材料進行分析。

從裂紋處，以轉子軸中心線呈45°，發現裂紋有如下特征：①終斷區呈現白亮金屬顏色，斷口其余部分顏色呈銀灰色；②微觀觀察時，裂紋源區比較平坦且存在大量黑色區域，可能為源區的夾雜物引起或零件在使用過程中腐蝕造成的孔洞。

對源區材料進行化學分析發現含有較高的碳、氧，有鋁、鉀存在。去除斷裂轉子軸表面涂層，取樣進行化學成分分析，可以判斷材料為31CrM0V9。斷裂轉子結果分析

（1）轉子軸在工作過程中主要承受扭力，從轉子軸裂紋宏觀特征看，裂紋是在正應力作用下擴展的。從打開后的斷口看，斷口無明顯塑性變形，斷口存在明顯的貝紋花樣，說明轉子軸是疲勞開裂。在貝紋區中心部位有黑褐色氧化物存在，可推測該處是經過高溫氧化產生的，可能在淬火前己經存在，即在轉子軸安裝使用前已存在缺陷。因此，從宏觀分析可以得出，轉子軸是由于使用前存在表面缺陷而引起的疲勞開裂。

（2）對裂紋源區的微觀形貌觀察及微區成分分析表明，裂紋源區存在大量氧化物和含有K，Al的夾雜物。擴展區的形貌表明，開裂的金屬表面已受到腐蝕，可能與服役環境條件有關。

（3）對轉子軸進行的化學成分分析表明，制造材料為31CrM0V9，為中碳合金鋼，符合軸類零件的選材要求。

（4）零件心部硬度為29HRC，硬度略低，但仍符合軸類零件28~45HRC的要求。零件表面采用噴涂處理。

2 葉輪氣流軸向力計算

在此選用31CrM0V9作為轉子制造材料，進行軸向力校核。離心壓縮機葉輪做功使氣體獲得能量，氣體壓力升高。這樣葉輪產生一個軸向力，氣流軸向力主要由兩部分組成，一是葉輪兩側的氣體壓力不等，另一部分由氣體動力產生。

（1）氣體壓力不等所引起的軸向力，所受軸向力為：

31CrM0V9所能承受的壓力極限為5×106N。顯然，當轉子材料選擇31CrM0V9時，是滿足上述軸向力要求，不會發生明顯變形情況。

3 齒輪強度驗算

根據GB/T3840-1997，對齒輪齒輪齒面接觸強度、齒根彎曲強度進行校核，若轉子制造材料為31CrM0V9，齒根應力為160.6206N/mm2，接觸應力為 524.326N/mm2，因此，接觸強度計算安全系數為2.00，彎曲強度計算安全系數為4.33。轉子制造材料選擇為31CrM0V9中碳合金鋼，是合適的。

4 國產化設計方案

在確定了轉子制造材料，確保該材料滿足轉子工作條件，即滿足軸向應力要求和齒輪強度要求的基礎上，改造按照以下技術方案進行:

首先，提供必要圖紙。對進口原裝壓縮機轉子進行高、低速動平衡試驗，檢查進口轉子組件的狀況，并做好詳細記錄。收集原裝轉子各零件的材質、機械性能等各項技術指標，進行力學分析和腐蝕性分析，對比篩選替代材料，進行論證和決策。

然后，按測繪圖編制GT032TIG2型壓縮機轉子試制工序，備料，試制加工和熱處理。

其次，將加工好的GT032TIG2型壓縮機轉子進行高速動平衡試驗和超轉試驗，進行最后檢查、驗收，并油封。

最后，利用裝置大檢修的機會將國產化轉子安裝投用，機組通過空載運行，半負荷運行，滿負荷48h運行，機組排氣量、壓力、轉子振動值和軸承溫度等關鍵運行技術指標符合原機設計值。

通過與國內航空發動機企業的合作，利用裝置大檢修的機會我們將國產化轉子安裝投用，機組通過空載運行，半負荷運行，滿負荷48h運行，機組排氣量、壓力、轉子振動值和軸承溫度等關鍵運行技術指標符合原機設計值。

GT032TIG2型循環氣體壓縮機檢修后，機組通過空載運行，半負荷運行，滿負荷48h運行，以及半年運行考核，機組排氣量、壓力、轉子振動值和軸承溫度等關鍵運行技術指標符合原機設計值，該機組國產轉子性能基本和原裝轉子相當，能夠完全替代進口備件，說明本次轉子國產化改造非常成功。

5 結語

經過積極地準備，按照計劃逐步的推進，GT032TIG2型離心式壓縮機轉子國產化的探索很順利，不僅學習了國外最新技術，還通過使用最新的國產材料、測量側邊、加工設備以及檢測設備，GT032TIG2型離心式壓縮機轉子國產化的改造成本不到原有的一半，具有相當高的經濟成本。國產的壓縮機轉子投入使用實際運行的測試結果表明，國產的壓縮機轉子性能完全滿足機組安全運行的需要。通過探索GT032TIG2型離心式壓縮機轉子國產化改造，提高設備管理的積極性，為進口單位備件管理提供有效的輔助手段和有效的管理辦法，以確保機器運行穩定，提高機器的利用率，探索GT032TIG2型離心式壓縮機轉子國產化改造的方法對其它的進口設備技術改進具有借鑒意義。