離心式壓縮機轉子制造關鍵技術探析

王文博++李煜

摘 要：離心式壓縮機轉子是現代一些大型機械設備的核心構件，從某種程度上來講，它直接影響著一個國家機械制造業的實際水平，所以，離心式壓縮機轉子的制造技術是非常重要的。但是，非常遺憾的是，我國目前離心式壓縮機轉子制造技術還不成熟，大多數離心式壓縮機轉子都從外國進口，這對于我國現代機械制造業的發展是非常不利的。本文對離心式壓縮機轉子的小特點進行了分析，探討了葉輪軸向力以及工藝流程及加工方式，提出了離心式壓縮機轉子的設計方案，希望能夠對我國自行生產離心式壓縮機轉子起到一定的促進作用。

關鍵詞：離心式壓縮機轉子；制造技術；葉輪軸向力；工藝流程及加工方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.033

雖然我國社會和科學技術在近幾年得到了快速發展，但是在一些尖端領域我國還有非常多的不足。比如，在機械制造領域，非常關鍵的離心式壓縮機轉子依然是我國目前無法自行制造的，這對于我國工業的發展非常不利。另外，從外國進口離心式壓縮機轉子，一旦發生故障，那么還需要花費大量的資金來邀請國外工程進行修理，增加了設備的維護成本，這對于我國本土企業的發展是非常不利的。還有，從國外進口離心式壓縮機轉子，不但維護成本高，而且耗時長，一旦設備出現故障就會對實際生產造成很大的影響，嚴重的甚至會導致工程停工，給企業帶來巨大的經濟損失。所以，研發我國能夠自主生產的離心式壓縮機轉子勢在必行。

當前，對生產離心式壓縮機轉子來講，最主要的技術難點就是如何保證葉輪軸向力和工藝流程及加工方式，而確保該工作的前提就是擁有性能優良的原材料。本文對離心式壓縮機轉子的化學成分進行了分析，并在此基礎上確定了其原材料，然后以此原料為基礎進行了葉輪軸向力的檢驗，最后提出了較為可行的生產方案。

1 離心式壓縮機轉子失效的特征

離心式壓縮機轉子在機械設備中非常重要的一個作用就是對渦輪的動力進行傳輸，因此也將壓縮機稱之為轉子軸，如果想要是我國能夠自主生產離心式壓縮機轉子，第一步就必須要分析出制作離心式壓縮機轉子的基本材料。所以，本文對一件出現裂紋的轉子進行了分析。從轉子的裂紋處我們能夠判斷出，裂紋具有下面一些特征：（1）終端區周邊呈現出白亮的金屬色澤，其余位置為銀灰色；（2）對其進行微觀觀察時，發現裂紋區較為平滑并且其中分布著多個黑色區域，猜測這些黑色區域可能是雜物或者由于離心式壓縮機轉子在使用過程中被腐蝕所造成的。

通過對該區域材料實施化學分析我們得知，該區域的碳、氧、鋁以及鉀元素含量比較高，將離心式壓縮機轉子表層的圖層去掉之后對其再次分析，可以斷定離心式壓縮機轉子是由31CrM0V9制成。之后再對斷裂的原因展開分析：（1）轉子軸在實際使用中承擔著主要的扭力，通過對轉子軸裂紋的特征進行觀察我們可知，其裂紋是由于受到正應力的作用而形成并緩慢擴展開來的。從斷面情況觀察，沒有非常明顯的塑性形變，這證明轉子軸是因為疲勞而開裂的。在貝紋區中心部位有黑褐色氧化物存在，這可以推斷出該位置是經由高溫氧化作用形成的，有可能在淬火工藝之前就已經存在，即有可能該轉子軸制作加工過程中就有一定的不足。（2）通過對裂紋的微觀觀察結果我們可知，裂紋區具有大量的含有鋁、鉀的氧化物，且相關表征已經證明，轉子表層已經遭受到一定的腐蝕，這可能是其運行環境造成的。（3）通過化學成分分析的結果我們可知，離心式壓縮機轉子的原材料為31CrM0V9，它符合軸類零件的材質要求。（4）零件的芯部硬度為29HRC，硬度稍顯不足，但是其仍然可以達到軸類零部件使用的需求。

2 葉輪氣流軸向力

使用31CrM0V9作為離心式壓縮機轉子的原材料，并對其開展軸向力校核。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）氣體壓力不均衡所引起的軸向力計算公式為：F=F2-F1-F0

通過計算最終得出F=F2-F1-F0=109.9945×103N

（2）計算氣動力產生的軸向力F=0.014×103N

（3）氣流軸向力Fg=F+F=110.0366×103N

31CrM0V9所能承受的壓力極限為5x106N。顯然，當轉子材料選擇31CrM0V9時，是滿足上述軸向力要求的。

3 自主化生產方案及工藝流程

在尋找到可以制作轉子的材料之后，經過對材料的實驗發現其能夠滿足轉子工作所需要的條件，即可以滿足軸向應力要求，在此基礎上對技術方案及工藝流程進行改進，如下：

（1）設計出生產圖紙。通過對進口的壓縮機轉子各方面數據和性能的測定，收集其各項指標，并對其展開受力分析以及腐蝕性研究，通過篩選、對比，最終選出合適的材料。

（2）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。

（3）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。

（4）最后，利用對壓縮機轉子進行檢修的機會用國產的設備替換掉進口的設備，并進行空載試運行，然后使半負荷運行，最后進行滿負荷運行，在此過程中對設備運行的平穩性、壓力、振動值以及溫度等關鍵參數進行測定。

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。

4 結論

在本文的研究中，通過精心的前期準備，按照設定的規劃對離心式壓縮機轉子的原材料成分、葉輪氣流軸向力等關鍵點進行了分析和驗算，并在此基礎上提出了我國自主生產離心式壓縮機轉子的方案。

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