离心式压缩机轴向力分析及平衡与消除措施

李 荣 荣

（中沙（天津）石化有限公司设备管理部，天津 300270）

离心式压缩机高速运行的转子始终作用着由高压端指向低压端的轴向力。转子在轴向力的作用下，将沿轴向力的方向产生轴向位移，转子的轴向位移将使轴颈与轴瓦间产生相对运动，因此，有可能将轴瓦或轴颈拉伤，更严重的是，由于转子位移，将导致转子元件与定子元件的摩擦、碰撞乃至机器损坏。由于转子轴向力有导致机件摩擦、磨损、碰撞乃至破坏机器的危害，因此应采取有效措施予以平衡和消除［1］。

1 轴向力分析

转子在高速旋转的工作过程中，叶轮两侧充满着具有一定压力的气体介质，如图1 所示。

图1 叶轮两侧压力分布图Fig.1 Both sides pressure profile of the impeller pressure profile

轮盘侧的轴向力 p出，由 dm到Ds环形面积上气体压强的作用而产生，计算公式为：

整个叶轮产生的轴向推力p 为：

取didmd ，经整理简化后如下式：

分析方程（4）可以得出以下论断：

（1）叶轮出口压力与叶轮入口压力之差值越大，则叶轮产生的轴向力就越大［3］；

（2）缩小轮盖密封直径Ds，可使轴向力相应减小；

（3）当压缩机减负荷运行时，由于叶轮出口与入口压差增加，以及气流在进口的冲力减小，因此，会导致轴向力增加。所以，压缩机减负荷运行时，要考虑推力瓦的承载能力［4］；

（4）多级叶轮产生的轴向力为每级叶轮轴向力之和。

2 轴向力平衡措施

2.1 叶轮对置排列

单级叶轮产生的轴向力，其方向指向叶轮入口，即由高压侧指向低压侧。如果多极叶轮按顺排方式排列，如图 2(a)所示，则转子总的轴向力为各级叶轮轴向力之和，这种排列方式转子的轴向力很大。如果多极叶轮采用对置排列，如图 2(b)所示，则入口相反的叶轮产生一个方向相反的轴向力，可相互得到平衡［5］。因此，叶轮对置排列是多极离心式压缩机最常用的轴向力平衡方法之一。

图2 叶轮排列形式Fig.2 Impeller arrangement

2.2 设置平衡盘

正文平衡盘是多级离心式压缩机常用的轴向力平衡装置，如图3 所示。平衡盘一般装于高压侧，外缘与气缸间设有迷宫密封，从而使高压侧与压缩机入口连接的低压侧保持一定的压差，该压差产生的轴向力方向与叶轮产生的轴向力相反，其大小可用下式计算：

式中：Pp—平衡盘产生的轴向力;

p1—平衡盘后压强;

p2—平衡盘前压强;

Dp1—平衡盘轮毂直径;

Dp2—平衡盘外径。

2.3 设置止推轴承

止推轴承直接承受轴向力并最终使轴向力达到平衡状态。叶轮对置排列、设置平衡盘的目的，主要是减少轴向推力，减轻止推轴承负荷，一般情况下轴向力的70%应通过平衡措施消除，剩余30%由止推轴承负担，生产实践证明，保留一定的轴向力是提高转子平稳运行的有效措施。

图3 平衡盘Fig.3 Balance disc

3 轴向力增加处理措施

3.1 转子轴向力增加因素

尽管在轴向力的平衡上，采取了相应的技术措施，但在生产运行中轴向力仍有可能上升。轴向力增加的因素主要有：

（1）级间密封损坏：级间密封损坏将导致叶轮前盖板处气体大量流回叶轮入口，从而前盖板所受压力降低，结果使轴向力增加。

（2）压缩机突然停机：压缩机突然停机后，出口气体排不出，如处理不当可能造成气体倒流、密封损坏、轴向力增加。

（3）平衡机构失效：平衡机构在正常情况下可平衡一定的轴向力。如果平衡管堵塞、平衡盘密封损坏，都将引起平衡能力下降，轴向力增加的后果。

（4）操作不当：由于操作不当导致压缩机入口流量减小，使得进出口压差增加以及进口冲力减小，造成轴向力增加。

3.2 转子位移监视和保护

轴向力的上升使止推轴承载荷增加，如果载荷的增加超出了推力轴承的承载能力，则推力轴瓦将烧坏，转子将向低压端窜动，甚至将导致转子磨损等事故。即使轴向力稳定，但是随着设备运行时间的不断加长，推力瓦面也会发生磨损，加之支撑系统刚性变化等因素，仍可造成轴向位移增大。轴位移超出范围将导致动、静部件的碰磨，振动加剧。为防止烧瓦、窜轴事故的发生，确保机组的平稳运行，压缩机转子均设有位移监视和保护措施。

3.3 消除轴向力措施

（1）检修压缩机，解体检查级间密封和中分面密封状况，更换损坏的级间密封，刮研中分面，解决中分面密封失效现象。

（2）加强职工培训，增加职工操作技能，严禁违规操作压缩机，尤其在压缩机停机时要严格按照正常操作程序操作。

（3）检查平衡管，清除堵塞物，使平衡盘副压腔的压力能及时泄掉，保证平衡盘平衡能力的发挥。更换平衡盘密封条，提高平衡盘密封件的密封性能，保持平衡盘工作腔的压力，使轴向力得到合理的平衡。

（4）位移监视和保护系统投用，操作人员密切注意压缩机系统变化，对异常情况及时做出正确处理和操作。

4 结 论

本文在分析离心式压缩机轴向力的基础上，对轴向力平衡措施的原理进行了说明。同时，对压缩机在生产运行中轴向力增加的情况进行了分析，并且提出了消除轴向力的措施。轴向力的分析、计算为轴向力的平衡提供了理论依据，轴向力增加因素的分析和消除措施为压缩机的日常操作和检修提供了参考依据。

［1］魏龙. 压缩机技术[M].北京：中国石化出版社，1998-06.

［2］朱圣东，邓建，吴家声. 无油润滑压缩机[M]. 北京：机械工业出版社, 2001-08.

［3］田景亮.往复式空气压缩机操作维修指南[M].沈阳：辽宁科学技术出版社, 1999.

［4］李总根.空气压缩机操作工[M].北京：中国劳动社会保障出版社,1998.

［5］西安交通大学透平压缩机教研室.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990.