（化学工程专业论文）离心式压缩机故障分析与解决措施研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文对产生压缩机各种故障的原因及特征进行了论述，并结合八台生产实际使用的 离心式压缩机多次振动及轴瓦温度增高等故障，利用测振、测温工具，测出了振动曲线、 振动频谱图及温度情况，对振动波形和频谱特征进行了综合分析，通过结合机组振动现 象，对转子的不平衡、转子的不对中、油膜振荡、旋转失速及喘振、轴承温度升高和气 体温度升高等常见故障进行了深入分析，己基本掌握了各种常见振动产生的原因和机理 特征，积累了不少正确判断振动起因的经验。 通过研究分析，本人认为影响离心式压缩机振动的因素很多，同一振动现象可能由 多种原因所引起，也可能由多种因素共同作用的结果，在对振动进行分析时，必须采取 多种测振手段进行综合分析才能正确判断引起振动的原因。生产实际中通过加工新叶 轮，做好转子的装配和高速动平衡；采用工艺调节；调整油温及间隙，加大卸油楔；对 冷却器进行除垢，提高换热效果；使用激光找正仪，提高对中精度等方法来减小或消除 振动。对降低压缩机故障采取了不少改进措施后，机组在实际生产运行中达到了令人满 意的效果。 关键词：离心式压缩机；故障；振动；解决措施 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 t h e a n a l y s i so f t h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rf a i l u r e sa n dt h es t u d y o fs o l v i n gm e a s u r e s a b s t r a c t t h ec a u s e so fc h a r a c t e r so ft h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rf a i l u r e sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r c o m b i n e dw i t ht h er e a lm a l f u n c t i o no fe i g h tc o m p r e s s o r s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h eb e a r i n g 仃e n d ，t h ev i b r a t i o nc u r v ea n dt h ef r e q u e n c yc h a r ta r em e a s u r e dt h r o u g hs p e c i a lt 0 0 1 e x c e p t i o n a l l y ，t h eu n d e rp i c t u r eo fv i b r a t i o na n d t h ep e r f o r m a n c eo ff r e q u e n c yc h a r ta r e s y n t h e t i c a l l ya n a l y z e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h ev i b r a t i o np h e n o m e n o n ，t h ei m b a l a n c eo f t h er o t o r ，t h em a l f u n c t i o no ft h ea s y m m e t r yo ft h er o t o r ，t h eo i lw h i p ，t h er o t a t i n gs t a l l a n dt h es u r g e ， b e a r i n gt e m p e r a t u r er i s ea n dg a st e m p e r a t u r er i s ea r ed e e p l yd i s c u s s e da n dt h e c a u s e so ft h ev i b r a t i o na n dm e c h a n i s mc h a r a c t e ra r em a s t e r e d t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h ev i b r a t i o no ft h ec o m p r e s s o ra r em o r et h r o u g hr e s e a r c h f o r e x a m p l e ，t h es a m ev i b r a t i o np h e n o m e n o nm a ya r i s ef r o mm a n yc a u s e sa n dm a y r e s u l tf r o m m a n yf a c t o r st o g e t h e r t h e r e f o r em a n ym e a s u r e ss h o u l db et a k e na n db ea n a l y z e d s y n t h e t i c a l l yi nt h ej u d g m e n to f t h ec a u s e so ft h ev i b r a t i o n i np r a c t i c e ，s o m es o l v i n g m e a s u r e sa r ei n t r o d u c e dt or e d u c eo rd i m i n i s hv i b r a t i o n f o re x a m p l e ， n e w i m p e l l e ri s m a n u f a c t u r e da n df i x e d ，t h e nb yh i g h s p e e db a l a n c i n g ；t h r o u g hp r o g r e s sa d j u s t m e n tt o a v o i d i n gs u r g e ；a d j u s t i n gt h et e m p e r a t u r eo fl u b r i c a t i n go i la n db e a r i n g c l e a r a n c e ， e n l a r g i n gl u b r i c a t i n go i lg r o o v e ；d e s c a l i n gh e a te x c h a n g e r t oi m p r o v ei t se f f e c t i v e ；u s i n g l a s e r - l i g h ta l i g n m e n ti n s t r u m e n tt oe n h a n c i n gt h ea c c u r a c yo fa l i g n m e n t a f t e rw e t a k eal o t o fm e a s u r e ，t h ec o m p r e s s o rf a i l u r e sr e d u c ea n dr e a c hs a t i s f i e de f f e c ti na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；f a i l u r e s ； v i b r a t i o n ；s o l v i n gm e a s u r e s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方 外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已 申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：直! 堂式压缠扭敛隍佥盘量鲤迭措旌盟究 作者签名： 么。壹：兰涟。日期：赳年月三旦日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本入完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：离! 堂式压缱扭敛睫佥盘皇鲤迭措施砑窥 作者签名：么垒：继 日期： 生! 年! 三月二生日 导师签名：i 逢耋立日期：型年止月旦日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 随着现代科学技术的飞速发展，离心压缩机因其结构紧凑、体积小、质量轻，运行 效率高，流量大，摩擦件少、运行平稳，介质气体不受润滑油污染，适合于与汽轮机或 燃气轮机直接连接而综合利用能源等诸多优点而在航空航天、石油、化工、化肥及冶金 等行业日益发挥着极其重要的作用。一直以来，离心压缩机内部流场的研究引起了国内 外专家学者的关注【i 儿引。近年来，随着石油化工技术的飞速发展，离心压缩机越来越多 地应用到生产实际中，不断朝着高转速、高压力、大流量方向发展。并且作为心脏设备 发挥着极其重要的作用。因此如何使离心压缩机安全、长周期稳定运行，成为目前人们 关注的首要问题。而在离心压缩运行过程中最常见的故障就是机组的振动故障。机组振 动轻则降低运行周期、缩短机器寿命、增加环境噪声，重则造成机件损坏、产生突发事 故影响生产造成严重损失。鉴于机组振动的严重危害性，我们必须对离心压缩机振动原 因、机理、特征进行深入了解。对造成振动的因素进行深入的研究分析，摸索出准确判 断振动故障的方法和经验，从而正确地指导检修，指导工艺操作，减少和避免振动故障 的发生。 我公司的八台离心式压缩机，由于种种原因多次发生转子的不平衡、转子的不对中、 油膜振荡、旋转失速、转子与气间的磨擦、喘振等常见故障振，对生产影响极大。引起 机组振动等故障的原因很多，同一振动现象可能是多种原因所引起，也可能多种原因共 同作用引起。怎么分清主次，找出真正引起故障的原因，迅速而准确地做出判断，并能 判断出发展趋势，这就是本论文所力求达到的目的。 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 1 文献综述 1 1 离心压缩机发展历史与现状 1 8 世纪初期，p a p i n 给出了最早的离心式叶轮机械的设汁方法，在他出版的著作中 介绍了离心泵的设计方法。从那以后，离心式叶轮机械开始逐步得到发展。1 9 世纪，离 心式捱缩机伴随着叶轮机械理论的发展而得到了迅速的发展。在这一时期l e o n h a r d e u l a r 建立了叶轮机械中的基本能量方程；l a z a r e c a r n o t 指出在叶轮进口流体应光滑顺利 的流入叶轮，即零攻角状态，他还指出为了获得高效率应减小叶轮出u 动能。这一阶段 的标志性成果是离心压缩机中开始使用有叶扩压器”j 。 从2 0 世纪开始至今是离心压缩机技术迅猛发展的时代。在这一时期，产生了对离 心压缩机发展具有划时代意义的理论和方法。正是这些理论和方法的诞生，使得离心压 缩机在全世界范围内得到了极为广泛的应用。1 9 3 0 年，f r a n k w h i t t l e 申请了他的第一项 专利，在国际上首次应用了双向进气单级离心压缩机这个离心压缩机由轴向透平驱动， 如图l1 所示。采用裂向进气不但可以避免在转子进口叶尖产生超音速流动，而且可以 减小轴向推力。从那时开始，f r a n k w h i t t l e 就将目标瞄准单级压比达到4 ，而此前单级 压比最高值只达到25 ”t 。 图11f r a n kw h i t t l e 设计的转子 f i g1 1r o t o r d e s i g n e db yf r a n kw h i t t l e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 离心压缩机因为受旋转、曲率及粘性等诸多因素的影响及相互作用而使其内部流动 表现为相当复杂的非定常、有粘性的三维湍流流动。但在早期，因为三元理论及计算手 段的缺乏，使得离心压缩机的设计主要采用几何设计或二维气动设计方法进行。2 0 世纪 5 0 年代，我国著名的科学家吴仲华教授提出了对离心压缩机发展具有划时代意义的两簇 流面理论，奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础。他首先提出叶轮机械叶片通道内 的三元流动可以看作是两类相交的流面( s l 、s 2 流面，s l 流面为是从一个叶片到相邻叶 片之间的周向扭曲流面，s 2 流面是从轮毂导轮盖的径向扭曲流面) 之和，这样就可以把 一个复杂的三元问题转化为两个二元问题，从而使计算简化。随着吴氏三元理论的提出， 离心压缩机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气 动设计方法转变。许多国内外专家学者利用这一理论对离心压缩机进行了研究并取得了 许多有益的成果l 6 j 。 1 1 1大流量离心压缩机研究现状 德国宇航院( d f v l r ) k r a i n 博士基于准三维气动设计方法，通过计算机辅助设计完 成了离心压缩机后向三元叶轮的设计，并应用激光测试技术对该叶轮内部流场进行了非 常详细地测量p j 。迄今为止，k r a i n 叶轮仍然是许多研究人员校验自己设计方法的对象。 国内在离心压缩机三元叶轮的各类反命题设计方法中，以角动量的不同分布来控制叶片 几何型线的方法应用较广i l 川。角动量的分布规律直接决定叶片载荷的大小并影响流动方 向、跨盘盖方向的速度分布，而速度分布对叶轮二次流的强度及叶片表面边界层的发展 有决定性的影响，这必然影响到对叶轮边界层损失、分离损失和二次流损失的控制，因 此合适的角动量分布是设计高性能叶轮最有效的手段。席光等人以上文提到的德国宇航 院( d f v l r ) k r a i n 博士设计并试验的后向三元叶轮为研究对象，对其内部流动及气动性 能进行了计算，在保留子午型线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究 角动量分布对叶轮内部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维粘性分析为参考 准则的实用设计方法，并利用c f d 软件f l u e n t 5 4 进行了数值计算，计算结果表明： 角动量的不同分布对离心压缩机叶轮的压比和效率有明显的影响【l t i l 蚶j 。 在发展以三维粘性分析为参考准则的离心压缩机三元叶轮的实用设计方法的基础 上，王晓峰等人又探讨了将离心叶轮内部的三维粘性流动求解与试验设计技术以及响应 面方法相结 合的优化设计方法。响应面方法是试验设计与数理统计相结合的优化方法，在试验 测量、经验公式或数值分析的基础上，对指定的设计点集合进行连续的试验，并在设计 空间构造测定量的全局逼近，这样便可以全面观察响应变量在设计空间的变化l i 引。在详 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 细探讨响应面优化设计方法的基础上，他们以某工业离心压缩机中间级叶轮为研究对 象，采用响应面方法对其进行优化设计，结果表明：与原始叶轮相比，性能有较大改进h 3 1 。 为减小离心压缩机叶轮进1 ：3 的冲击损失，降低叶片厚度对进气的阻塞，避免叶轮出 口圆周上相邻两叶片间距过大等目前国内外的高效率离心压缩机叶轮广泛采用了长、 短叶片( 分流叶片) 的形式。刘瑞韬等人运用三维粘性流动数值计算程序f i n e t u r b o 对含 分流叶片的离心压缩机级内三维粘性流场进行了数值分析，为该类叶轮的优化设计及改 进研究打下了基础”。在此基础上，刘瑞韬等人又对分流叶片位置对高转速离心压缩机 性能的影响进行了研究，重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压缩机级 内三维粘性流场及整级性能的影响。计算结果表明：采用分流叶片在进口处会减少叶片阻 塞，不同分流叶片起始位置时长叶片进口流场具有相同的分布规律：分流叶片越短，长叶 片压力面无量纲静压载荷越大，当分流叶片长度达到某一数值后，陆叶片载荷变化趋干平 缓，就文献【1 5 】中研究的叶轮来说，分流叶片起始位置位于图12 所示i i i 位置，分流叶片 与长叶片吸力面夹角为2 25 。时的叶轮模型级效率最高，压缩机性能最好”。 初雷哲、杜建一等人采用c f d 软件对微型燃机的离心叶轮进行数值模拟，讨论了 叶片数及分流叶片位置对叶轮性能的影响，并进行了流场分析。分析结果表明：叶片数增 加使得性能曲线左移，单个叶片载荷减小，损失增加，叶轮效率下降，但是增压效果得 到改善；分流叶片位置靠近主叶片压力面时，性能曲线右移，流通时会使分流叶片的载 荷增大，当分流叶片位置靠近主叶片吸力面时，情况正好相反”。 图12 分流叶片位置示意图 f i 9 12d i a g r a mo f t h es p l i t t e r v a t l e l o c a t i o n 片 大连理- t 大学专业学位硕士学位论文 杨策等人开发了一套将初步设计、性能优化计算、性能预测、叶片成型和叶轮应力 分析包含在内的离心式叶轮辅助设计系统，并用其设计出一种小型高转速离心压缩机， 然后对其性能进行了详细地分析研究。杨策等人的研究结果表明：在进口条件和转速相同 情况下，后向叶轮压比小于径向叶轮，效率高于径向叶轮，后向叶轮的流量特性曲线的 斜率大于径向叶轮的流量特性曲线的斜率，后向叶轮的流量特性更接近轴流压缩机的特 性；顶部间隙增大时，离心压缩机压比减小，效率下降；对于小流量的离心压缩机，叶轮 进口弯曲对叶轮在设计点的绝热效率影响不大，叶轮出口弯曲对离心压缩机在设计点的 效率影响很小；叶轮正弯时存在一个最高效率点，当叶轮正弯度大于或小于这个数值时 效率均下降；采用前倾叶轮可以提高压缩机的效率，但降低了压缩机的压比：在较低转速 下，前倾叶轮在大部分工作范围内效率高于普通叶轮，在较高转速下，前倾叶轮在全工 况范围内效率都高于普通叶轮；前倾叶轮比普通叶轮有更大的喘振裕度，工作范围更宽 广；前倾叶轮改善了出口的气流分离现象，能够减少掺混损失p j 。 综上所述，国内研究人员对离心压缩机的研究主要是通过数值计算来进行，一般是 先用自己开发的计算程序或应用软件计算国外文献提到的有详细试验结果的离心压缩 机或叶轮( 一般多用前文提及的德国宇航院( d f v l r ) k r a i n 博士研究的叶轮) ，经过验证可 行后，再用于自己的研发。 一直以来，国内外在采用先进技术进行离心压缩机流场测试方面的研究较之设计方 法的研究则稍显滞后。运行中的离心压缩机内部流场测试技术的重大突破是伴随着激光 速度测量学的成功发展而实现的。1 9 7 0 年，e c k a r d t 运用s c h o d l d 的2 倍焦距激光测速 计( l a s e r 2 f o c u s v e l o c i m e t e r ) 对压比为3 的压缩机内部流场进行了研究。在2 0 世纪6 0 年 代初出现的激光多普勒测速技术和2 倍焦距激光测速技术几乎同时被应用于离心压缩机 内部流场的测量j 。 国内上海交通大学的缪俊、谷传纲等人研究了激光相位多普勒测速技术( p d a ) 在离 心压缩机叶轮内部流场测量中的应用，他们采用p d a 技术对试验用离心压缩机在小流 量工况下叶轮内部的流动进行了测量，对如何在原有适合粒子图像速度场仪( p i v ) 澳t j 量的 试验台上进行p d a 测量，并提出了改进意见，分析了小流量工况下流道内气流速度矢 量的变化趋势等流动特性i l 。测试技术的发展必将进一步推动离心压缩机技术的发展。 1 1 2 小流量离心压缩机研究现状 前述国内外研究人员在各自的研究过程中基本都针对的是较大流量的离心压缩机， 所提及的杨策等人研究的一种小型高转速离心压缩机其流量也是0 2 1 5 k g s ，难以完全说 明小流量( 0 1 k g s 以下) 下的情形。 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 f g u ie ta l 进行了高速小流量离心压缩机的设计和试验研究。在他的文献里介绍了 一种小流量高转速的离心压缩机的研究结果，结果表明：小流量高转速离心压缩机在几 何特征与整机性能上与大型离心压缩机存在区别，小流量高转速的离，t s , 压缩机在进v i 处 轮盖与轮毂的直径比较大，叶轮外径与进口轮盖直径之比及叶尖间隙与叶片高度之比比 大型离心压缩机大许多；在设计范围内，大型离心压缩机的流量压比曲线要l l , j , 流量高 转速离心压缩机的流量压比曲线平坦得多，这也暗示着小流量高转速离心压缩机与大 型离心压缩机的设计是有区别的，大型离心压缩机设计的经验方法不能完全应用于小流 量高转速离心压缩机的设计。f g u ie ta l 设计了一个叶轮直径仅为6 3 m m 的小流量高转 速离心压缩机，其效率可达8 4 ，这个数值较之从2 0 世纪5 0 年代起一直未有太大提高 的6 0 左右的效率则是有了相当大的进步，这也表明：设计一个用于飞行器空气循环制 冷汽压缩制冷系统用的小流量高转速离心压缩机是可以实现的【l 驯。 1 1 3 离心压缩机在国内的应用现状 目前离心式压缩机发趋势是：容量不断增大，以满足石化等行业生产规模不断扩大 的要求；随着新技术的发展，新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器的出现，不断开 发高压压缩机和小流量压缩机产品；迸一步研究三元流动理论，不仅应用到叶轮设计， 还发展到叶片扩压器静止元件设计中，以期达到最高的机组效率；低噪声化，采用噪声 防护以改善操作环境。 国内可以生产石化等行业用离心压缩机的制造企业主要有沈阳鼓风机厂、上海鼓风 机厂、陕西鼓风机厂等。他们引进国外技术，经过消化吸收，可以生产石化用大型离心 压缩机。沈阳鼓风机厂从意大利新比隆公司引进了m c l 、b c l 、p c l 三个离心压缩机 系列的全套设计制造专利技术；从日本目立公司引进了d h 型离心压缩机、h s 型工业 冷冻机设计制造专利技术，从美国费城齿轮公司引进了m h s 、h s 、h s s 、h s d 四个系 列的高速齿轮变速器的设计制造专利技术：从德国德马格公司引进了v k 8 型组装式离 心压缩机设计制造专利技术和从日本川崎重工株式会社引进了g m 型污水处理鼓风机 技术。沈阳鼓风机厂生产的离心压缩机在国内石化企业已经应用2 0 0 多台，市场占有率 已达8 0 以上。沈鼓厂生产的3 0 0 万讹催化裂化装置富气压缩机进口流量达到8 l 6 0 0 n m3 h ，功率达到71 6 6 k w ；离心式循环氢压缩机流量达到2 5 00 0 0 n m3 l l ，功率 达到l6 0 0 k w ，出口压力达到1 8 m p a ，已经应用于1 2 0 万讹加氢裂化装置；沈鼓厂自 行设计、制造的裂解气压缩机流量达到1 2 00 0 0 n m3 h ，功率达到1 80 0 0 k w ；同国外合 作设计、制造的丙烯压缩机流量达到5 80 0 0 n m3 1 1 ，功率达到75 0 0 k w ；乙烯压缩机流 一6 一 大连理丁大学专业学位硕士学位论文 量达到7 40 0 0 n m3 l l ，功率达到55 0 0 k w ，已经应用到3 0 - 5 0 万t a 乙烯裂解装置。沈 鼓厂自行设计和制造的大化肥装置的空气压缩机、天然气压缩机、氨压缩机、二氧化碳 压缩机已应用于2 0 - - - 3 0 万讹化肥装置；沈鼓设计制造的空气压缩机流量达到2 2 0 0 0 0 n m3 h ，功率达到1 75 8 0 k w ，已经应用于4 00 0 0 n m3 空分装置。陕西鼓风机厂引 进瑞士苏尔寿公司a v 型所有系列、1 2 种机型轴流压缩机技术专利和技术秘密，成功 设计、制造了1 7 0 多台套性能优良的轴流压缩机，其中6 0 多台套用于炼油厂催化裂化 装置的主、备风机。其中为大连石化公司3 5 0 万讹催化裂化装置制造的主风机是目前 国内石化装置中最大的轴流压缩机，流量达到3 0 00 0 0 n m3 l l ，功率达到4 00 0 0 k w 。m u j 1 2 离心压缩机研究存在的问题及展望 经过研究人员的长期努力，对离心压缩机的研究，无论是设计理论、方法还是试验 手段都取得了巨大的进步，但因为三维流场本身的复杂性及相关技术发展的限制，使得 仍有一些问题有待完善和解决。 1 2 1存在的主要问题 叶轮和扩压器是离心压缩机的关键部件，叶轮设计与制造的好坏及其与扩压器的匹 配情况将对压缩机的性能产生决定性的影响。作为整个压缩机来说，轴承的性能及润滑、 密封情况也将会对压缩机性能产生影响。 ( 1 ) 叶轮的设计与制造 随着计算机技术及计算流体动力学( c f d ) 的发展，相继出现了一批可以应用于离心 压缩机研究的c f d 应用软件。目前市场上较常见的有：f l u e n t 、n u m e c a 、n r e c 、 c f x 、s t a r - c d 等，这些软件一般都集中了造型、网格生成、流场计算及后处理功能。 这些软件的发展极大地丰富了三元叶轮的设计手段，提高了工程设计的效率，为设计性 能优良的三元叶轮创造了更好的条件。 用三元理论设计的叶轮叶片形状一般为空间曲面，叶片及叶轮的加工成型是制造的 重点，也是难点。对于三元叶轮，常用的加工方法主要有两种：- - 体焊形式，也即对轮盘、 叶片、轮盖分别加工然后再焊装；整体铣制，也就是轮盘和叶片在一起利用多坐标设备进 行整体铣制而得到一个半开式叶轮。为避免干涉，目前国际上对这种叶轮的加工大都是 利用价格很高的五坐标加工中心进行。 ( 2 ) 叶轮与扩压器的匹配问题 在离心压缩机的设计过程中，叶轮与扩压器的匹配问题一直以来都是困扰设计人员 的难题之一。影响叶轮与扩压器匹配的主要因素有：有叶扩压器的喉部面积，叶轮与扩压 器之间的间隙，气动叶型扩压器的稠度，扩压器叶片前缘形状等。 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 研究发现改变有叶扩压器的喉部面积可以改变叶轮与扩压器的匹配范围。当有叶扩 压器的喉部面积较大时，叶轮与扩压器在流量较大区域内匹配；当有叶扩压器的喉部面积 较小时，叶轮与扩压器在流量较小区域内匹配。低稠度的气动叶型扩压器具有较宽的工 作范围，能明显改善喘振边界限制。关于扩压器叶片前缘的最佳位置目前尚未有明确的 答案，只是估计扩压器叶片前缘所在的半径与叶轮半径之比在1 1 5 以上。k e n n y 认为： 在扩压器叶片前缘采用燕尾槽的方式可以使流出叶轮的涡破碎，从而使流动更加稳定。 总之，影响叶轮与扩压器匹配问题的因素仍有待进一步发现和解决【19 】【3 9 1 1 4 0 】。 ( 3 ) 轴承研发问题 离心式压缩机一般采用增速齿轮，转子转速一般都在5 0 0 0 r m i n 以上，目前一般采 用滑动轴承，滑动轴承的设计也是研制离心压缩机的一个重点。 压缩机转速的增大必然要求减小轴承和轴之间的摩擦。国内在这方面的研究已有多 年，静压和动压空气轴承已在许多透平机械中得到应用。文献 1 8 提出国外已有一种磁 力轴承在被应用于离心压缩机后展示了其优良的性能。磁力轴承的一个明显的优点就是 它在转轴旋转后是悬浮于轴上的，只要空气充满磁力轴承和轴之间的狭小间隙，轴就悬 浮在空气( 或其它工作介质) 中旋转，以至于相对其它类型轴承来说，磁力轴承运转时的 摩擦力是可以忽略不计的，从而转子能够真正实现在转子强度和“堵塞 限制范围内以 任何速度运转。因此有必要加快磁力轴承应用技术研究。 1 2 2 展望 目前国内离心压缩机在高技术、高参数、高质量和特殊产品方面还不能满足国内需 要。另外在技术水平、质量、成套性上和国外还有差距。随着石化等行业生产规模不断 扩大，离心压缩机大型化方面面临新的课题。1 0 0 万讹乙烯三机中的裂解气压缩机，进 i = 1 流量达到4 0 30 0 0 k g h ，出口压力达到3 8 9 m p a ，轴功率达到4 5 7 7 0 k w 。4 5 万t a p t a 装置原料空气压缩机( 带尾气透平) 进口流量1 6 24 1 3 n m3 l l ，进出口压力0 1 1 4 6 m p a ， 轴功率2 20 0 0 k w ，国内在设计制造这些大型气体压缩机上还没有成熟的经验。同时， 国内外对于高压比( 单级压l g 5 ) 离心压缩机的应用仍然较少，这主要是因为其效率低、 流动范围受限等原因所造成的。现代三维求解技术及先进测试手段( p i v 、p d a 等) 的应 用将使这些问题有望得到解决，但仍需要大量的努力，一旦在这一领域实现突破，将会 使得离心压缩机的使用成本大幅下降，从而使离心压缩机得到更大范围地应用h 【，j 。 离心压缩机依赖于高流速实现增压，这种高流速不可避免地会带来摩擦及气动损失 等流动损失。对于小流量的离心压缩机，当转速不大时，其流动损失将显著影响效率的 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 提高。因此，对于小流量的压缩机，必须增加其转速以保证达到一定的效率。随着运用 c f d 及三元理论进行离心压缩机研制技术的进一步发展，高转速轴承技术的日益成熟， 相信有望在这一领域实现突破。 组装式离心压缩机又称为组装型整体齿轮增速式离心压缩机，近年来在世界上发展 得很快。我国对这种压缩机的需求量很大，广泛应用在冶金、空分装置、石化、制药、 动力站等各个领域。由于我国以前不能生产组装式压缩机，基本上都依靠进口。据初步 统计每年进口的不同型号的这种压缩机近1 0 0 台。沈鼓经过多年的研究与开发，已经研 制成功这种组装式压缩机并且初步形成系列，不仅在国内市场占有一席之地，而且部分 产品已经销售到国外。组装式离心压缩机具有一般单轴多级离心压缩机所不能具备的优 点。更接近等温压缩的过程，各级叶轮在更佳的转速下运行，工况调节范围更宽，结构 紧凑、占地面积小、安装方便。组装式离心压缩机具有许多优点，但目前由于技术原因 尚不能适用于所有的场合，随着压缩机设计和制造技术的不断提高，它的应用范围也会 越来越宽。p 1 3 本论文研究的内容 本文的主要内容围绕我公司内的一些离心压缩机运行中出现的转子不平衡、对中不 好、油膜振荡、旋转失速及喘振、轴承温度高和压缩机进气温度高等故障及其危害。着 重论述了转子不平衡、对中不好、油膜振荡、旋转失速及喘振、轴承温度高和压缩机进 气温度高等故障机理及诊断方法，并且提出了治理这几种故障的措施。随着辽阳石化的 不断发展，离心式压缩机使用趋势是向高速、重载和大流量方向发展，这就对其在运行 中的安全可靠性方面提出了越来越高的要求。离心式压缩机常常由于其本身出现各种不 同形式的故障，使其偏离正常运行状态而发生由某种故障或影响引发的严重的机毁人亡 的事故，对上游与下游相关生产单元造成严重影响，形成重大的经济损失。因此对于其 故障的准确判断和及时解决方面的研究显得尤为重要，这对于保证压缩机平稳运行有着 极其重要的意义。 本文通过运用压缩机运行的频谱图、轴心轨迹图、振动值监测、压缩机性能曲线改 变等诊断方法对故障进行判断，并由此制定相应解决措施。对损坏的叶轮重新选材进行 加工，并做好转子的装配和高速动平衡，解决不平衡问题。对旋转失速及其引发的喘振 现象采用工艺调节，将回流阀打开，增加压缩机入口流量，加大进口导叶开度。对温度 高轴瓦加大堵塞的卸油楔，使油流畅通。针对入口气体温度高对冷却器进行激波除垢， 提高换热效果。对于不对中引起的故障在机组检修时使用了激光找正仪，使找正精度提 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 高，误差控制在允许范围之内。实践证明机组在正确诊断并采取有效的解决措施后，运 行稳定，可以避免一些故障的再次发生。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 离心压缩机分类、工作原理、结构、特点及主要参数 2 1离，d 压缩机的分类 离心压缩机是一种速度式压缩机，品种繁多，一般分为以下几类： ( 1 ) 按轴的型式分类有单轴多级式，一根轴上串联几个叶轮；双轴四级式，四个 叶轮分别悬臂地装在二个小齿轮轴的二端，气体经过每级压缩后被送到机组外下方的冷 却器，原动机通过大齿轮来驱动机组。 ( 2 ) 按气缸型式分类分为水平剖分式和垂直剖分式( 筒型缸) 。 ( 3 ) 按压力等级分类分为低压压缩机，出口压力为0 2 4 5 0 9 8 m p a ( 表压) ；中压 压缩机，出口压力为0 9 8 9 8 m p a ；高压压缩机，出口压力大于9 8 m p a ( 表压) 。 ( 4 ) 按级间冷却形式分类机外冷却，每段压缩后气体输出机外进入下方的冷却器； 机内冷却，冷却器壳体与压缩机的机壳铸为一体，冷却器对称地布置在机壳的二侧，气 体每经过一级压缩后都得到冷却。 ( 5 ) 按压缩介质的种类分为空气压缩机、氮气压缩机、氧气压缩机、合成气压缩 机、二氧化碳压缩机等。 ( 6 ) 按压缩机用途分类制冷压缩机、远程输送压缩机等。 我公司目前使用的离心压缩机有单轴多级式和双轴四级式二种，型号有d h 8 0 2 5 、 3 e p 4 2 0 - 1 0 7 0 9 9 、d h 4 5 - 1 0 、3 m c l 5 2 6 - 6 、ci i8 0 m 3 等。气缸型式均为水平剖分式。目 前排出压力均为0 7 m p a 左右，属于低压压缩机。冷却器以机外冷却为主，个别如ci i8 0 m 3 型为机内冷却，冷却器壳体与压缩机的机壳铸为一体。这些压缩机包括空气压缩机、氮 气压缩机、氧气压缩机等类型。 2 2 离心式压缩机的工作原理 电动机带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压 器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮， 由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流 动。气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降 低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不 够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。级间的串联通过 弯通，回流器来实现。 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 如图2 1 所示，在叶轮流道内任意半径r 处，取取出厚度d r 的气体质点，其密度 为p ，叶轮宽度为b ，对应的圆心角为d 巾，则其质量为d m = pd s d r b = pr d 巾d r b 。当该 质点随叶轮以角速度6 _ 1 旋转时，则产生离心力d c 为 d c = d m r ( ) 2 = pd 巾b 2 r 2 d r ( 2 1 ) o 图2 1 叶轮工作原理 f i g2 1t h ep r i n c i p l eo fi m p e l l e r 此离心力d c 应被径向压力差所平衡，即d c = b r d 中d p ，于是d p = d c b r d 巾= p 2r d r 设气体密度不变，且叶轮内缘和外缘的半径各为r 1 和r 2 ，两边同时积分，则得其 相应的压力差为 2 咖= p o ) 2i ! r d r = 扣2 以2 一2 ) ( 2 2 ) 由此可得叶轮内任意半径r 处气体质点所具有的压力p 为 p = p l + i 1 2 p z 一，1 2 ) + j 妒一利 p = p 2 一要倒： 2 一，z ) 一三倒幢吖 ( 2 3 ) 由此可知，气体压力的增加与气体的密度p 、叶轮半径r 2 、叶轮转速6 02 成正比。 如果叶轮产生的压力p 2 等于叶轮外部的压力p 27 ，叶轮外围出口即使不封闭，气体也 不会从叶轮流出。如果p 2 p 27 ，叶轮就能 将气体不断送入排出管。【6 j j 幽j 太连理上人学专业学位硕士学位论文 23 离心式压缩机的结构 离心式压缩机由转子及定子两犬部分组成典型结构如图22 所示。转子包括转轴， 固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。定子则有气缸，定位于 缸体上的各种隔板以及轴承等零部件。在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封 元件。各个部件的作用介绍如下。 圈22 离心式压缩机典型结构 卜吸气室；2 - 叶轮：3 一扩压器；4 一弯道：5 一回流器 6 一蜗室：7 、8 一轴端密封；9 一隔板密封：1 0 一轮盖密封：1 卜平衡盘 f j 9 22 t h e t y p i c a l $ 1 r l l c t u r e o f t h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r 1 - i n l e th o u s e ；2 - i m p e l l e r ；3 - d i f f u s e r ：4 - c u r v e ；5 - r e c i r c u l a t i o ns e c t i o n 6 v o l u t e ；7 、8 - s h a f 【se n ds e a l ；9 - p a r l l t i o ns e a l 1 0 - i m p e l l e rc o v e rs e a l ：1 1 - b a l a n c ed i s c ( 1 ) 叶轮 叶轮是离心式压缩机中最重要的一个部件，驱动机的机械功即通过此高速回转的叶 轮对气体作功而使气体获得能量，它是压缩机中唯一的作功部件，亦称工作轮。叶轮一 离心式压缩机故障分析与解决措施研究 般是由轮盖、轮盘和叶片组成的闭式叶轮，也有没有轮盖的半开式叶轮。我公司压缩机 采用的叶轮均为闭式后弯式。 ( 2 ) 主轴 主轴是起支持旋转零件及传递扭矩作用的。根据其结构形式。有阶梯轴及光轴两种， 光轴有形状简单，加工方便的特点。我公司单轴串联式压缩机采用阶梯轴形式，d h 型压 缩机采用光轴形式。 ( 3 ) 平衡盘 在多级离心式压缩机中因每级叶轮两侧的气体作用力大小不等，使转子受到一个指 向低压端的合力，这个合力即称为轴向力。轴向力对于压缩机的正常运行是有害的，容 易引起止推轴承损坏，使转子向一端窜动，导致动件偏移与固定元件之间失去正确的相 对位置，情况严重时，转子可能与固定部件碰撞造成事故。平衡盘是利用它两边气体压 力差来平衡轴向力的零件。它的一侧压力是末级叶轮盘侧间隙中的压力，另一侧通向大 气或进气管，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余轴向力由止推轴承承受，在平衡盘 的外缘需安装气封，用来防止气体漏出，保持两侧的差压。轴向力的平衡也可以通过叶 轮的两面进气和叶轮反向安装来平衡。我公司单轴串联式压缩机平衡盘装配在转子的中 间，在压缩机一段和二段之间，一段和二段进气方向相反，两段压差由平衡盘平衡。 ( 4 ) 推力盘 由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的止推块， 构成力的平衡，推力盘与推力块的接触表面，应做得很光滑，在两者的间隙内要充满合 适的润滑油，在正常操作下推力块不致磨损，在离心压缩机起动时，转子会向另一端窜 动，为保证转子应有的正常位置，转子需要两面止推定位，其原因是压缩机起动时，各 级的气体还未建立，平衡盘二侧的压差还不存在，只要气体流动，转子便会沿着与正常 轴向力相反的方向窜动，因此要求转子双面止推，以防止造成事故。我公司单轴串联式 压缩机推力盘装配在转子的联轴器附近，与推力轴承接触，在润滑油作用下去平衡轴向 力。d h 型推力盘安装在齿轮轴轴承处，与轴承的推力面接触去平衡轴向力。 ( 5 ) 联轴器 由于离心压缩机具有高速回转、大功率以及运转时难免有一定振动的特点，所用的 联轴器既要能够传递大扭矩，又要允许径向及轴向有少许位移，联轴器分齿型联轴器和 膜片联轴器，目前常用的都是膜片式联轴器，该联轴器不需要润滑剂，制造容易。我公 司压缩机大部分使用的为膜片式联轴器，部分采用的为齿型联轴器。 ( 6 ) 机壳 大连理工大学专业学位硕士学位论文 机壳也称气缸，对中低压离心式压缩机，一般采用水平中分面机壳，利于装配，上 下机壳由定位销定位，即用螺栓连接。对于高压离心式压缩机，则采用圆筒形锻钢机壳， 以承受高压。这种结构的端盖是用螺栓和筒型机壳连接的。我公司压缩机机壳全部为水 平剖分式。 ( 7 ) 扩压器 气体从叶轮流出时，它仍具有较高的流动速度。为了充分利用这部分速度能，以提 高气体的压力，在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器。扩压器一般有无叶、叶 片、直壁形扩压器等多种形式。我公司压缩机扩压器采用的是叶片扩压器形式。 ( 8 ) 弯道 在多级离心式压缩机中级与级之间，气体必须拐弯，就采用弯道，弯道是由机壳和 隔板构成的弯环形空间。 ( 9 ) 回流器 在弯道后面连接的通道就是回流器，回流器的作用是使气流按所需的方向均匀地进 入下一级，它由隔板和导流叶片组成。导流叶片通常是圆弧的，可以和气缸铸成一体也 可以分开制造，然后用螺栓连接在一起。 蜗壳 蜗壳的主要目的，是把扩压器后，或叶轮后流出的气体汇集起来引出机器，蜗壳的 截面形状有圆形、犁形、梯形和矩形。u u 我公司压缩机蜗壳采用的是圆形形式。 a d 密封 为了减少通过转子与固定元件间的间隙的漏气量，常装有密封。密封分内密封，外 密封两种。内密封的作用是防止气体在级间倒流，如轮盖处的轮盖密封，隔板和转子间 的隔板密封。外密封是为了减少和杜绝机器内部的气体向外泄露，或外界空气窜入机器 内部而设置的，如机器端的密封。 离心压缩机中密封种类很多，常用的有以下几种： 迷宫密封 迷宫密封目前是离心压缩机用得较为普遍的密封装置，用于压缩机的外密封和内密 封。迷宫密封的气体流动，当气体流过梳齿形迷宫密封片的间隙时，气体经历了一个 膨胀过程( 如图2 3 ) ，压力从p 1 降至右端的p 2 ，这种膨胀过程是逐步完成的，当气 体从密封片的间隙进入密封腔时，由于截面积的突然扩大，气流形成很强的旋涡，使得 速度几乎完全消失，密封面两侧的气体存在着压差，密封腔内的压力和间隙处的压力一 样，按照气体膨胀的规律来看，随着气体压力的下降，速度应该增加，温度应该下降， 但是由于气体在狭小缝隙内的流动是属于节流性质的，此时气体由于压降而获得的动能 离心式压缩机故障分析与解决措旌研究 在密封腔中完全损失掉，而转化为无用的热能，这部分热能转过来又加热气体，从而使 得瞬间刚刚随着压力降落下去的温度又上升起来，恢复到压力没有降低时的温度，气流 经过随后的每一个密封片和空腔就重复一次上面的过程，一直到压力p 2 为止。由此可 见迷宫密封是利用节流原理，当气体每经过一个齿片，压力就有一次下降，经