蘭 洋

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的方法

蘭 洋

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

對(duì)比常規(guī)的葉輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后的葉輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分析了兩種葉輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)定性，優(yōu)化后的葉輪結(jié)構(gòu)因?yàn)樯w盤(pán)高度降低，葉輪口圈密封的直徑變小，使整個(gè)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性提高。

離心式壓縮機(jī)；轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)壓縮機(jī)的要求也愈來(lái)愈苛刻，要求壓縮機(jī)要滿(mǎn)足大流量、高壓縮比等工藝參數(shù)的要求，導(dǎo)致壓縮機(jī)的軸系過(guò)長(zhǎng)，穩(wěn)定性分析不容易合格，并且會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)等一系列問(wèn)題。

對(duì)離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，有利于確保轉(zhuǎn)子及整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，李明等首先提出的耦合運(yùn)動(dòng)微分方程對(duì)壓縮機(jī)組的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。李嘯天等使用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行建模和分析。

通常提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的方法是通過(guò)縮短軸的跨距，但這種方法有其實(shí)現(xiàn)的弊端，在保證蝸室的強(qiáng)度及級(jí)的性能基礎(chǔ)之上，這種方法并不能全部達(dá)到預(yù)想的效果；還有辦法是通過(guò)改變軸承的參數(shù)，改變阻尼等運(yùn)行條件，來(lái)讓軸系更趨于穩(wěn)定，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，這是一種常見(jiàn)的方法；在長(zhǎng)期的工作實(shí)踐中，又發(fā)現(xiàn)了一種新的提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的方法：通過(guò)降低轉(zhuǎn)子上葉輪的重量來(lái)提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，這種方法是從軸系的特性上來(lái)提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，是一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，更體現(xiàn)設(shè)計(jì)的理念：從根本上保證軸系的安全性。

以一臺(tái)合成氣壓縮機(jī)3BCL457為例來(lái)說(shuō)明此種方法。圖1為轉(zhuǎn)子的剖面圖。

圖1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子剖面圖

分別對(duì)兩種情況下的轉(zhuǎn)子進(jìn)行穩(wěn)定性分析，第一種情況是正常設(shè)計(jì)的葉輪，第二種情況是葉輪減輕重量后的，采用軟件R BSP2010進(jìn)行分析，軸承及各個(gè)葉輪的壓力分配等條件均相同，轉(zhuǎn)速相同。

一、轉(zhuǎn)子的計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

第一種情況下，轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)為1965，轉(zhuǎn)子跨距為1502.5mm,轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)徑比為11.38（圖2）。

圖2 第一種情況

第二種情況下，轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)為1965，轉(zhuǎn)子跨距為1502.5mm,轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)徑比為11.38（圖3）。

圖3 第二種情況

二、兩種情況下的葉輪設(shè)計(jì)對(duì)比

對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證流道參數(shù)及葉輪強(qiáng)度的前提下，減輕葉輪重量。表1列舉了第一種情況和第二種情況下，葉輪變更的相關(guān)參數(shù)（表1）。

1.兩種情況下的分析結(jié)果

圖4為第一種情況下的對(duì)數(shù)衰減率—交叉耦合剛度曲線圖，圖中顯示了轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)對(duì)數(shù)衰減率與交叉耦合剛度的關(guān)系，QA為預(yù)期的交叉耦合剛度，Qo為產(chǎn)生零對(duì)數(shù)衰減率所要求的交叉耦合剛度。當(dāng)軸承間隙取最小值時(shí)，Qo/QA=1.07，對(duì)數(shù)衰減率δA=0.028，需要二級(jí)穩(wěn)定性分析；當(dāng)軸承間隙取最大值時(shí)，Qo/QA=1.71，對(duì)數(shù)衰減率δA=0.303，需要二級(jí)穩(wěn)定性分析。

表1 第一種情況與第二種情況下葉輪參數(shù)對(duì)比

圖4 第一種情況下的對(duì)數(shù)衰減率—交叉耦合剛度曲線圖

圖5為第二種情況下的對(duì)數(shù)衰減率—交叉耦合剛度曲線圖，圖中顯示了轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)對(duì)數(shù)衰減率與交叉耦合剛度的關(guān)系，QA為預(yù)期的交叉耦合剛度，Qo為產(chǎn)生零對(duì)數(shù)衰減率所要求的交叉耦合剛度。當(dāng)軸承間隙取最小值時(shí)，Qo/QA=1.07，對(duì)數(shù)衰減率δA=0.029，需要二級(jí)穩(wěn)定性分析；當(dāng)軸承間隙取最大值時(shí)，Qo/QA=1.75，對(duì)數(shù)衰減率δA=0.319，需要二級(jí)穩(wěn)定性分析。

三、二級(jí)穩(wěn)定性分析

根據(jù)API617標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于II級(jí)穩(wěn)定性驗(yàn)收準(zhǔn)則規(guī)定，II級(jí)穩(wěn)定性分析合格的標(biāo)準(zhǔn)是該機(jī)組一階正進(jìn)動(dòng)的最終對(duì)數(shù)衰減率須大于0.1。在第一種情況下，根據(jù)施加于整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的對(duì)數(shù)衰減率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖6所示，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率為0.157。

圖5 第二種情況下的對(duì)數(shù)衰減率—交叉耦合剛度曲線圖

圖6 第一種情況下轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

在第二種情況下，根據(jù)施加于整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的對(duì)數(shù)衰減率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖7所示，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率為0.261。

圖7 第二種情況下轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

四、結(jié)語(yǔ)

第一，通過(guò)降低葉輪蓋盤(pán)高度，使作用在轉(zhuǎn)子上的交叉耦合力減小，交叉耦合力和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性有直接影響，整個(gè)軸系的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性提高。

第二，在保證葉輪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低葉輪蓋盤(pán)高度，適當(dāng)縮短葉輪軸向長(zhǎng)度，合理設(shè)計(jì)葉輪結(jié)構(gòu)，從而減少葉輪重量，改變轉(zhuǎn)子模型，使整個(gè)軸系的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性提高。

[1]李明．轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)對(duì)某DH型壓縮機(jī)組動(dòng)力學(xué)特性的影響[J].西安科技大學(xué)報(bào)．2001.

[2]李嘯天，韓振南，基于ANSYS軟件的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速及模態(tài)分析[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)．2010.

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