AV-100靜葉可調型軸流壓縮機軸向受力分析計算

沈列東，黃 浩

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源總廠，安徽馬鞍山 243000)

1 前言

馬鋼原第二能源總廠負責馬鋼新區能源介質的輸配，包括水、電、風和氣，生產和輸送高爐生產所需流量和壓力的壓縮空氣是其重中之重。因為高爐容積較大，供風設備配備了國內同行業中技術處于領先的軸流壓縮機，該機為德國MAN公司制造的AV-100靜葉可調式軸流壓縮機，轉子直徑1000工會mm，最大風量8800 m3/min，最大風壓0.63 MPa，自2006年該壓縮機投產以來，已經連續安全運行48000 h以上。

透平式壓縮機是一種葉片式旋轉機械，利用葉片和氣體的相互作用，提高氣體的壓力和動能，并利用相應的通流元件使氣流減速，將動能轉變為壓力的提高。軸流壓縮機作為透平式壓縮機的一種，其葉片分為兩種，分別是壓縮機轉子上的動葉和安裝在靜葉承缸上的靜葉，每一列動葉和靜葉組合在一起稱為軸流式壓縮機的一級。轉子高速旋轉，帶動動葉片對氣體做功，使氣體在流出動葉時，速度和壓力都提高；壓縮機通過控制靜葉旋轉的角度變化，將從動葉出來的氣體動能轉換成壓力的提高，并且使氣流按照一定的方向和速度進入下一級壓縮。

由于對壓縮效率和轉子尺寸等方面的考慮，級與級動靜葉之間的軸向側間隙相當緊湊，靜葉角度最大時，間隙在1.6~2 mm，靜葉角度最小時，間隙在1.4~1.5 mm。如果軸向位移過大，可能發生動靜葉之間的碰檫，一旦接觸，就可能瞬間改變轉子的動平衡，在報警跳車前將若干級的動葉全部撞斷，所以轉子軸向位移值的大小對于壓縮機運行至關重要，而軸向位移的產生歸根到底還是轉子軸向所受合力失衡的結果。

2 軸流壓縮機所受主要軸向力

如圖1所示，壓縮機轉子軸向上主要受三個力作用，氣體軸向推力、平衡管氣體推力和止推軸承推力。

圖1 軸流壓縮機轉子受力示意

如圖2所示，氣體軸向推力是由于氣體壓縮后，壓縮機進氣側和出氣側壓差的存在，就形成了作用在轉子上的，方向為出氣側指向進氣側的氣體軸向推力，它是由多級氣體軸向力之和與轉子兩端軸向力代數和。因為是多級壓縮，所以每一級都會形成壓差，都會有作用在轉子動葉上的軸向力。

F—氣體軸向推力

Fi—各級氣體作用于動葉片上軸向力，共有18級

Fd—轉子軸兩端端面軸向力代數和

Si—壓縮機轉子i級動葉葉片軸向方向上的投影總面積

Pi—壓縮機轉子i級氣體壓縮出口壓強

PC—壓縮機出口氣體壓強,P18=PC

SC—壓縮機出口轉子軸端環形氣體作用面積

Pr—壓縮機入口氣體壓強

Sr—壓縮機入口轉子軸端環形氣體作用面積

綜合以上，得出：

平衡管氣體推力是為了平衡轉子氣體軸向推力，從壓縮機出口端引一條平衡管至壓縮機入口軸端，將出口端的高壓氣流引回到入口側，作用于轉子軸上。取某一時間間隔內平衡管內的一段氣體作為樣本，根據動量定理有：

得：

F—平衡管氣體軸向推力

vt0—初始t=0時的氣流速度

vt1—t=dt時的氣流速度

dm—dt時段內氣體質量

ρ—壓縮后的氣體密度

S—平衡管截面積

假設氣體與轉子軸平面撞擊的一瞬間時間間隔為，氣流速度由初始速度變為零。平衡管內氣體速度沒有損失，均為壓縮機出口風速。可得平衡管氣體對轉子平衡盤的連續作用力F：

F=ρ·S·vt02

上式說明平衡管的氣體推力與轉子軸受力面積大小無關，與流速和平衡管直徑相關。

如圖3所示，AV-100軸流壓縮機止推軸承是在轉子傳動端支承軸承和聯軸器之間的推力盤兩側對稱分布，轉子的氣體軸向力通過推力盤經過油膜傳遞給推力瓦塊。止推塊承受推力時，可以自動調節止推塊角度，形成有利油楔。瓦塊表面上澆鑄巴氏合金，其厚度小于動靜葉的最小軸向間隙，因為一旦壓縮機軸向位移過大，通過巴氏合金的溶化，短時間內可以保證動靜葉不相互碰擦。瓦塊與推力盤之間的間隙稱為推力間隙，如圖3中Y1所示，AV-100的推力間隙為0.48 mm。

圖3 軸承結構剖面圖

推力軸承瓦塊表面承載能力的計算，是根據潤滑油油壓，密度，粘度和油膜厚度等計算出瓦塊表面油膜的壓力分布，再根據瓦塊尺寸，計算出瓦塊總的承受的推力。

定性分析壓縮機運行中推力軸承瓦塊的油膜承載能力是否在合理值范圍之內是通過瓦溫的判斷。推力盤兩側推力軸承瓦塊分為主推力瓦塊和副推力瓦塊，由于轉子氣體軸向力的方向性，其作用力主要是作用在主推力瓦塊上，所以其瓦溫要高于副推力瓦塊，巴氏合金的最高使用溫度不得超過100℃，所以壓縮機正常運行時主推力瓦塊工作溫度應在70℃以內，而主副推力瓦之間的溫差在10℃左右。

根據大致計算，平衡管氣體推力達到氣體軸向推力的65%左右，而止推軸承承載力要達到氣體軸向推力35%。

3 軸流壓縮機所受次要軸向力

次要軸向力包括主油泵傳動齒輪的摩擦阻力、電機電磁阻力和壓縮機及電機的支承軸承油膜產生的軸向摩擦阻力。

AV-100壓縮機潤滑油主油泵為齒輪泵，配置在壓縮機轉子非傳動端，通過齒輪嚙合由轉子軸驅動，假設摩擦阻力為Ff。

P0—油泵的功率

n—油泵轉數

f—齒輪摩擦系數

d—轉子軸齒輪的節圓直徑

電動機的磁場主要體現在定子和轉子的間隙處稱為氣隙磁場。 當轉子穩定運行在磁力中心線位置，氣隙磁場的磁力線全部垂直于轉軸，而沒有軸向分量，也就沒有轉子延軸線竄動。當轉子在氣體軸向力作用下有偏離磁力中心線位置的趨勢時，氣隙磁場的磁力線就會有軸向分量，其作用在轉子上會產生把轉子拉回磁力中心線的軸向作用力，力的大小與偏離值相關。

AV-100軸流壓縮機和電機轉子的支撐軸承采用的是靜壓滑動軸承，通過外部油泵供油，形成具有足夠壓力的潤滑油膜將軸頸浮起，由壓力油的靜壓力支承轉子重量。油膜的摩擦力主要是因為軸頸旋轉形成的徑向方向的摩擦力，而油膜軸向摩擦力是因為轉子在氣體軸向力作用下產生的軸向方向的運動趨勢而形成的，它與油的粘度和厚度等密切相關。

總的來說，以上三種軸向力方向是跟隨軸向位移方向變化而變化的，方向可能與氣體軸向力的方向一致或相反，阻力數值相對于主要軸向力的數值較小。

4 長周期運行中可能引起軸位移增加的原因

在軸流壓縮機長期穩定運行中可能引起軸位移增加的原因就是轉子密封片磨損，造成密封間隙增大，增加了高壓氣體泄漏量，從而使平衡管氣體推力降低，增加止推軸承瓦面的油膜承載力，會引起軸向力失衡，導致軸向位移增加。

如圖4所示，AV-100軸流壓縮機采用的是鑲嵌型迷宮式密封，在新機組安裝時，轉子軸端密封片與機殼頂部的間隙d1和d2在0.45~0.5 mm之間，而經過幾年的運轉，間隙可放大到0.6~0.8 mm之間，甚至能達到0.9 mm。造成磨損主要的原因是轉子發熱膨脹，密封間隙縮小，壓縮機運轉時正常的振動幅值在0.3 mm左右，所以長時間運轉后勢必造成密封片磨損，解決的唯一方式就是利用壓縮機大修的機會重新鑲嵌密封片。

圖4 鑲嵌型迷宮式密封

5 結語

AV-100軸流壓縮機轉子軸向位移的大小，主要是氣體軸向推力、平衡管氣體推力和止推軸承推力三者平衡的結果。不僅要考慮到軸端密封氣體泄漏降低平衡管氣體推力對平衡的影響，同樣要關注潤滑油的乳化、粘度及污染度等指標，因為潤滑油的性能指標下降以及由于可能的污染物造成的瓦塊表面劃傷等對形成良好油膜的影響，直接會導致油膜承載力的下降，影響軸向力的平衡，軸向位移增大，給壓縮機運行帶來威脅。

[1]黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].北京：化學工業出版社，2004.8

[2]成大先主編.機械設計手冊.第二卷[M].北京：化學工業出版社，2007.11