離心式壓縮機(jī)軸向力分析及平衡與消除措施

李 榮 榮

（中沙（天津）石化有限公司設(shè)備管理部，天津 300270）

離心式壓縮機(jī)高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子始終作用著由高壓端指向低壓端的軸向力。轉(zhuǎn)子在軸向力的作用下，將沿軸向力的方向產(chǎn)生軸向位移，轉(zhuǎn)子的軸向位移將使軸頸與軸瓦間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，有可能將軸瓦或軸頸拉傷，更嚴(yán)重的是，由于轉(zhuǎn)子位移，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子元件與定子元件的摩擦、碰撞乃至機(jī)器損壞。由于轉(zhuǎn)子軸向力有導(dǎo)致機(jī)件摩擦、磨損、碰撞乃至破壞機(jī)器的危害，因此應(yīng)采取有效措施予以平衡和消除［1］。

1 軸向力分析

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的工作過(guò)程中，葉輪兩側(cè)充滿(mǎn)著具有一定壓力的氣體介質(zhì)，如圖1 所示。

圖1 葉輪兩側(cè)壓力分布圖Fig.1 Both sides pressure profile of the impeller pressure profile

輪盤(pán)側(cè)的軸向力 p出，由 dm到Ds環(huán)形面積上氣體壓強(qiáng)的作用而產(chǎn)生，計(jì)算公式為：

整個(gè)葉輪產(chǎn)生的軸向推力p 為：

取didmd ，經(jīng)整理簡(jiǎn)化后如下式：

分析方程（4）可以得出以下論斷：

（1）葉輪出口壓力與葉輪入口壓力之差值越大，則葉輪產(chǎn)生的軸向力就越大［3］；

（2）縮小輪蓋密封直徑Ds，可使軸向力相應(yīng)減小；

（3）當(dāng)壓縮機(jī)減負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于葉輪出口與入口壓差增加，以及氣流在進(jìn)口的沖力減小，因此，會(huì)導(dǎo)致軸向力增加。所以，壓縮機(jī)減負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，要考慮推力瓦的承載能力［4］；

（4）多級(jí)葉輪產(chǎn)生的軸向力為每級(jí)葉輪軸向力之和。

2 軸向力平衡措施

2.1 葉輪對(duì)置排列

單級(jí)葉輪產(chǎn)生的軸向力，其方向指向葉輪入口，即由高壓側(cè)指向低壓側(cè)。如果多極葉輪按順排方式排列，如圖 2(a)所示，則轉(zhuǎn)子總的軸向力為各級(jí)葉輪軸向力之和，這種排列方式轉(zhuǎn)子的軸向力很大。如果多極葉輪采用對(duì)置排列，如圖 2(b)所示，則入口相反的葉輪產(chǎn)生一個(gè)方向相反的軸向力，可相互得到平衡［5］。因此，葉輪對(duì)置排列是多極離心式壓縮機(jī)最常用的軸向力平衡方法之一。

圖2 葉輪排列形式Fig.2 Impeller arrangement

2.2 設(shè)置平衡盤(pán)

正文平衡盤(pán)是多級(jí)離心式壓縮機(jī)常用的軸向力平衡裝置，如圖3 所示。平衡盤(pán)一般裝于高壓側(cè)，外緣與氣缸間設(shè)有迷宮密封，從而使高壓側(cè)與壓縮機(jī)入口連接的低壓側(cè)保持一定的壓差，該壓差產(chǎn)生的軸向力方向與葉輪產(chǎn)生的軸向力相反，其大小可用下式計(jì)算：

式中：Pp—平衡盤(pán)產(chǎn)生的軸向力;

p1—平衡盤(pán)后壓強(qiáng);

p2—平衡盤(pán)前壓強(qiáng);

Dp1—平衡盤(pán)輪轂直徑;

Dp2—平衡盤(pán)外徑。

2.3 設(shè)置止推軸承

止推軸承直接承受軸向力并最終使軸向力達(dá)到平衡狀態(tài)。葉輪對(duì)置排列、設(shè)置平衡盤(pán)的目的，主要是減少軸向推力，減輕止推軸承負(fù)荷，一般情況下軸向力的70%應(yīng)通過(guò)平衡措施消除，剩余30%由止推軸承負(fù)擔(dān)，生產(chǎn)實(shí)踐證明，保留一定的軸向力是提高轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)行的有效措施。

圖3 平衡盤(pán)Fig.3 Balance disc

3 軸向力增加處理措施

3.1 轉(zhuǎn)子軸向力增加因素

盡管在軸向力的平衡上，采取了相應(yīng)的技術(shù)措施，但在生產(chǎn)運(yùn)行中軸向力仍有可能上升。軸向力增加的因素主要有：

（1）級(jí)間密封損壞：級(jí)間密封損壞將導(dǎo)致葉輪前蓋板處氣體大量流回葉輪入口，從而前蓋板所受壓力降低，結(jié)果使軸向力增加。

（2）壓縮機(jī)突然停機(jī)：壓縮機(jī)突然停機(jī)后，出口氣體排不出，如處理不當(dāng)可能造成氣體倒流、密封損壞、軸向力增加。

（3）平衡機(jī)構(gòu)失效：平衡機(jī)構(gòu)在正常情況下可平衡一定的軸向力。如果平衡管堵塞、平衡盤(pán)密封損壞，都將引起平衡能力下降，軸向力增加的后果。

（4）操作不當(dāng)：由于操作不當(dāng)導(dǎo)致壓縮機(jī)入口流量減小，使得進(jìn)出口壓差增加以及進(jìn)口沖力減小，造成軸向力增加。

3.2 轉(zhuǎn)子位移監(jiān)視和保護(hù)

軸向力的上升使止推軸承載荷增加，如果載荷的增加超出了推力軸承的承載能力，則推力軸瓦將燒壞，轉(zhuǎn)子將向低壓端竄動(dòng)，甚至將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磨損等事故。即使軸向力穩(wěn)定，但是隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的不斷加長(zhǎng)，推力瓦面也會(huì)發(fā)生磨損，加之支撐系統(tǒng)剛性變化等因素，仍可造成軸向位移增大。軸位移超出范圍將導(dǎo)致動(dòng)、靜部件的碰磨，振動(dòng)加劇。為防止燒瓦、竄軸事故的發(fā)生，確保機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子均設(shè)有位移監(jiān)視和保護(hù)措施。

3.3 消除軸向力措施

（1）檢修壓縮機(jī)，解體檢查級(jí)間密封和中分面密封狀況，更換損壞的級(jí)間密封，刮研中分面，解決中分面密封失效現(xiàn)象。

（2）加強(qiáng)職工培訓(xùn)，增加職工操作技能，嚴(yán)禁違規(guī)操作壓縮機(jī)，尤其在壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)要嚴(yán)格按照正常操作程序操作。

（3）檢查平衡管，清除堵塞物，使平衡盤(pán)副壓腔的壓力能及時(shí)泄掉，保證平衡盤(pán)平衡能力的發(fā)揮。更換平衡盤(pán)密封條，提高平衡盤(pán)密封件的密封性能，保持平衡盤(pán)工作腔的壓力，使軸向力得到合理的平衡。

（4）位移監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)投用，操作人員密切注意壓縮機(jī)系統(tǒng)變化，對(duì)異常情況及時(shí)做出正確處理和操作。

4 結(jié) 論

本文在分析離心式壓縮機(jī)軸向力的基礎(chǔ)上，對(duì)軸向力平衡措施的原理進(jìn)行了說(shuō)明。同時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行中軸向力增加的情況進(jìn)行了分析，并且提出了消除軸向力的措施。軸向力的分析、計(jì)算為軸向力的平衡提供了理論依據(jù)，軸向力增加因素的分析和消除措施為壓縮機(jī)的日常操作和檢修提供了參考依據(jù)。

［1］魏龍. 壓縮機(jī)技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，1998-06.

［2］朱圣東，鄧建，吳家聲. 無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2001-08.

［3］田景亮.往復(fù)式空氣壓縮機(jī)操作維修指南[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 1999.

［4］李總根.空氣壓縮機(jī)操作工[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,1998.

［5］西安交通大學(xué)透平壓縮機(jī)教研室.離心式壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.