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(fù)責(zé)馬鋼新區(qū)能源介質(zhì)的輸配，包括水、電、風(fēng)和氣，生產(chǎn)和輸送高爐生產(chǎn)所需流量和壓力的壓縮空氣是其重中之重。因?yàn)楦郀t容積較大，供風(fēng)設(shè)備配備了國(guó)內(nèi)同行業(yè)中技術(shù)處于領(lǐng)先的軸流壓縮機(jī)，該機(jī)為德國(guó)MAN公司制造的AV-100靜葉可調(diào)式軸流壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑1000工會(huì)mm，最大風(fēng)量8800 m3/min，最大風(fēng)壓0.63 MPa，自2006年該壓縮機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)安全運(yùn)行48000 h以上。

透平式壓縮機(jī)是一種葉片式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，利用葉片和氣體的相互作用，提高氣體的壓力和動(dòng)能，并利用相應(yīng)的通流元件使氣流減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ奶岣摺］S流壓縮機(jī)作為透平式壓縮機(jī)的一種，其葉片分為兩種，分別是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上的動(dòng)葉和安裝在靜葉承缸上的靜葉，每一列動(dòng)葉和靜葉組合在一起稱為軸流式壓縮機(jī)的一級(jí)。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)動(dòng)葉片對(duì)氣體做功，使氣體在流出動(dòng)葉時(shí)，速度和壓力都提高；壓縮機(jī)通過(guò)控制靜葉旋轉(zhuǎn)的角度變化，將從動(dòng)葉出來(lái)的氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力的提高，并且使氣流按照一定的方向和速度進(jìn)入下一級(jí)壓縮。

由于對(duì)壓縮效率和轉(zhuǎn)子尺寸等方面的考慮，級(jí)與級(jí)動(dòng)靜葉之間的軸向側(cè)間隙相當(dāng)緊湊，靜葉角度最大時(shí)，間隙在1.6~2 mm，靜葉角度最小時(shí)，間隙在1.4~1.5 mm。如果軸向位移過(guò)大，可能發(fā)生動(dòng)靜葉之間的碰檫，一旦接觸，就可能瞬間改變轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，在報(bào)警跳車前將若干級(jí)的動(dòng)葉全部撞斷，所以轉(zhuǎn)子軸向位移值的大小對(duì)于壓縮機(jī)運(yùn)行至關(guān)重要，而軸向位移的產(chǎn)生歸根到底還是轉(zhuǎn)子軸向所受合力失衡的結(jié)果。

2 軸流壓縮機(jī)所受主要軸向力

如圖1所示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸向上主要受三個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)氣側(cè)和出氣側(cè)壓差的存在，就形成了作用在轉(zhuǎn)子上的，方向?yàn)槌鰵鈧?cè)指向進(jìn)氣側(cè)的氣體軸向推力，它是由多級(jí)氣體軸向力之和與轉(zhuǎn)子兩端軸向力代數(shù)和。因?yàn)槭嵌嗉?jí)壓縮，所以每一級(jí)都會(huì)形成壓差，都會(huì)有作用在轉(zhuǎn)子動(dòng)葉上的軸向力。

F—?dú)怏w軸向推力

Fi—各級(jí)氣體作用于動(dòng)葉片上軸向力，共有18級(jí)

Fd—轉(zhuǎn)子軸兩端端面軸向力代數(shù)和

Si—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子i級(jí)動(dòng)葉葉片軸向方向上的投影總面積

Pi—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子i級(jí)氣體壓縮出口壓強(qiáng)

PC—壓縮機(jī)出口氣體壓強(qiáng),P18=PC

SC—壓縮機(jī)出口轉(zhuǎn)子軸端環(huán)形氣體作用面積

Pr—壓縮機(jī)入口氣體壓強(qiáng)

Sr—壓縮機(jī)入口轉(zhuǎn)子軸端環(huán)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(zhuǎn)子氣體軸向推力，從壓縮機(jī)出口端引一條平衡管至壓縮機(jī)入口軸端，將出口端的高壓氣流引回到入口側(cè)，作用于轉(zhuǎn)子軸上。取某一時(shí)間間隔內(nèi)平衡管內(nèi)的一段氣體作為樣本，根據(jù)動(dòng)量定理有：

得：

F—平衡管氣體軸向推力

vt0—初始t=0時(shí)的氣流速度

vt1—t=dt時(shí)的氣流速度

dm—dt時(shí)段內(nèi)氣體質(zhì)量

ρ—壓縮后的氣體密度

S—平衡管截面積

假設(shè)氣體與轉(zhuǎn)子軸平面撞擊的一瞬間時(shí)間間隔為，氣流速度由初始速度變?yōu)榱?。平衡管?nèi)氣體速度沒(méi)有損失，均為壓縮機(jī)出口風(fēng)速?？傻闷胶夤軞怏w對(duì)轉(zhuǎn)子平衡盤的連續(xù)作用力F：

F=ρ·S·vt02

上式說(shuō)明平衡管的氣體推力與轉(zhuǎn)子軸受力面積大小無(wú)關(guān)，與流速和平衡管直徑相關(guān)。

如圖3所示，AV-100軸流壓縮機(jī)止推軸承是在轉(zhuǎn)子傳動(dòng)端支承軸承和聯(lián)軸器之間的推力盤兩側(cè)對(duì)稱分布，轉(zhuǎn)子的氣體軸向力通過(guò)推力盤經(jīng)過(guò)油膜傳遞給推力瓦塊。止推塊承受推力時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)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(dòng)靜葉的最小軸向間隙，因?yàn)橐坏嚎s機(jī)軸向位移過(guò)大，通過(guò)巴氏合金的溶化，短時(shí)間內(nèi)可以保證動(dòng)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(jié)構(gòu)剖面圖

推力軸承瓦塊表面承載能力的計(jì)算，是根據(jù)潤(rùn)滑油油壓，密度，粘度和油膜厚度等計(jì)算出瓦塊表面油膜的壓力分布，再根據(jù)瓦塊尺寸，計(jì)算出瓦塊總的承受的推力。

定性分析壓縮機(jī)運(yùn)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(nèi)是通過(guò)瓦溫的判斷。推力盤兩側(cè)推力軸承瓦塊分為主推力瓦塊和副推力瓦塊，由于轉(zhuǎn)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(guò)100℃，所以壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)主推力瓦塊工作溫度應(yīng)在70℃以內(nèi)，而主副推力瓦之間的溫差在10℃左右。

根據(jù)大致計(jì)算，平衡管氣體推力達(dá)到氣體軸向推力的65%左右，而止推軸承承載力要達(dá)到氣體軸向推力35%。

3 軸流壓縮機(jī)所受次要軸向力

次要軸向力包括主油泵傳動(dòng)齒輪的摩擦阻力、電機(jī)電磁阻力和壓縮機(jī)及電機(jī)的支承軸承油膜產(chǎn)生的軸向摩擦阻力。

AV-100壓縮機(jī)潤(rùn)滑油主油泵為齒輪泵，配置在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子非傳動(dòng)端，通過(guò)齒輪嚙合由轉(zhuǎn)子軸驅(qū)動(dòng)，假設(shè)摩擦阻力為Ff。

P0—油泵的功率

n—油泵轉(zhuǎn)數(shù)

f—齒輪摩擦系數(shù)

d—轉(zhuǎn)子軸齒輪的節(jié)圓直徑

電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)主要體現(xiàn)在定子和轉(zhuǎn)子的間隙處稱為氣隙磁場(chǎng)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行在磁力中心線位置，氣隙磁場(chǎng)的磁力線全部垂直于轉(zhuǎn)軸，而沒(méi)有軸向分量，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)子延軸線竄動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在氣體軸向力作用下有偏離磁力中心線位置的趨勢(shì)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的磁力線就會(huì)有軸向分量，其作用在轉(zhuǎn)子上會(huì)產(chǎn)生把轉(zhuǎn)子拉回磁力中心線的軸向作用力，力的大小與偏離值相關(guān)。

AV-100軸流壓縮機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)子的支撐軸承采用的是靜壓滑動(dòng)軸承，通過(guò)外部油泵供油，形成具有足夠壓力的潤(rùn)滑油膜將軸頸浮起，由壓力油的靜壓力支承轉(zhuǎn)子重量。油膜的摩擦力主要是因?yàn)檩S頸旋轉(zhuǎn)形成的徑向方向的摩擦力，而油膜軸向摩擦力是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在氣體軸向力作用下產(chǎn)生的軸向方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)而形成的，它與油的粘度和厚度等密切相關(guān)。

總的來(lái)說(shuō)，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(shù)值相對(duì)于主要軸向力的數(shù)值較小。

4 長(zhǎng)周期運(yùn)行中可能引起軸位移增加的原因

在軸流壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行中可能引起軸位移增加的原因就是轉(zhuǎn)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(huì)引起軸向力失衡，導(dǎo)致軸向位移增加。

如圖4所示，AV-100軸流壓縮機(jī)采用的是鑲嵌型迷宮式密封，在新機(jī)組安裝時(shí)，轉(zhuǎn)子軸端密封片與機(jī)殼頂部的間隙d1和d2在0.45~0.5 mm之間，而經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)轉(zhuǎn)，間隙可放大到0.6~0.8 mm之間，甚至能達(dá)到0.9 mm。造成磨損主要的原因是轉(zhuǎn)子發(fā)熱膨脹，密封間隙縮小，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)正常的振動(dòng)幅值在0.3 mm左右，所以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后勢(shì)必造成密封片磨損，解決的唯一方式就是利用壓縮機(jī)大修的機(jī)會(huì)重新鑲嵌密封片。

圖4 鑲嵌型迷宮式密封

5 結(jié)語(yǔ)

AV-100軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)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(duì)平衡的影響，同樣要關(guān)注潤(rùn)滑油的乳化、粘度及污染度等指標(biāo)，因?yàn)闈?rùn)滑油的性能指標(biāo)下降以及由于可能的污染物造成的瓦塊表面劃傷等對(duì)形成良好油膜的影響，直接會(huì)導(dǎo)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(jī)運(yùn)行帶來(lái)威脅。

[1]黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.8

[2]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第二卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.11