AV-100静叶可调型轴流压缩机轴向受力分析计算

沈列东，黄 浩

(马鞍山钢铁股份有限公司能源总厂，安徽马鞍山 243000)

1 前言

马钢原第二能源总厂负责马钢新区能源介质的输配，包括水、电、风和气，生产和输送高炉生产所需流量和压力的压缩空气是其重中之重。因为高炉容积较大，供风设备配备了国内同行业中技术处于领先的轴流压缩机，该机为德国MAN公司制造的AV-100静叶可调式轴流压缩机，转子直径1000工会mm，最大风量8800 m3/min，最大风压0.63 MPa，自2006年该压缩机投产以来，已经连续安全运行48000 h以上。

透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，利用叶片和气体的相互作用，提高气体的压力和动能，并利用相应的通流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高。轴流压缩机作为透平式压缩机的一种，其叶片分为两种，分别是压缩机转子上的动叶和安装在静叶承缸上的静叶，每一列动叶和静叶组合在一起称为轴流式压缩机的一级。转子高速旋转，带动动叶片对气体做功，使气体在流出动叶时，速度和压力都提高；压缩机通过控制静叶旋转的角度变化，将从动叶出来的气体动能转换成压力的提高，并且使气流按照一定的方向和速度进入下一级压缩。

由于对压缩效率和转子尺寸等方面的考虑，级与级动静叶之间的轴向侧间隙相当紧凑，静叶角度最大时，间隙在1.6~2 mm，静叶角度最小时，间隙在1.4~1.5 mm。如果轴向位移过大，可能发生动静叶之间的碰檫，一旦接触，就可能瞬间改变转子的动平衡，在报警跳车前将若干级的动叶全部撞断，所以转子轴向位移值的大小对于压缩机运行至关重要，而轴向位移的产生归根到底还是转子轴向所受合力失衡的结果。

2 轴流压缩机所受主要轴向力

如图1所示，压缩机转子轴向上主要受三个力作用，气体轴向推力、平衡管气体推力和止推轴承推力。

图1 轴流压缩机转子受力示意

如图2所示，气体轴向推力是由于气体压缩后，压缩机进气侧和出气侧压差的存在，就形成了作用在转子上的，方向为出气侧指向进气侧的气体轴向推力，它是由多级气体轴向力之和与转子两端轴向力代数和。因为是多级压缩，所以每一级都会形成压差，都会有作用在转子动叶上的轴向力。

F—气体轴向推力

Fi—各级气体作用于动叶片上轴向力，共有18级

Fd—转子轴两端端面轴向力代数和

Si—压缩机转子i级动叶叶片轴向方向上的投影总面积

Pi—压缩机转子i级气体压缩出口压强

PC—压缩机出口气体压强,P18=PC

SC—压缩机出口转子轴端环形气体作用面积

Pr—压缩机入口气体压强

Sr—压缩机入口转子轴端环形气体作用面积

综合以上，得出：

平衡管气体推力是为了平衡转子气体轴向推力，从压缩机出口端引一条平衡管至压缩机入口轴端，将出口端的高压气流引回到入口侧，作用于转子轴上。取某一时间间隔内平衡管内的一段气体作为样本，根据动量定理有：

得：

F—平衡管气体轴向推力

vt0—初始t=0时的气流速度

vt1—t=dt时的气流速度

dm—dt时段内气体质量

ρ—压缩后的气体密度

S—平衡管截面积

假设气体与转子轴平面撞击的一瞬间时间间隔为，气流速度由初始速度变为零。平衡管内气体速度没有损失，均为压缩机出口风速。可得平衡管气体对转子平衡盘的连续作用力F：

F=ρ·S·vt02

上式说明平衡管的气体推力与转子轴受力面积大小无关，与流速和平衡管直径相关。

如图3所示，AV-100轴流压缩机止推轴承是在转子传动端支承轴承和联轴器之间的推力盘两侧对称分布，转子的气体轴向力通过推力盘经过油膜传递给推力瓦块。止推块承受推力时，可以自动调节止推块角度，形成有利油楔。瓦块表面上浇铸巴氏合金，其厚度小于动静叶的最小轴向间隙，因为一旦压缩机轴向位移过大，通过巴氏合金的溶化，短时间内可以保证动静叶不相互碰擦。瓦块与推力盘之间的间隙称为推力间隙，如图3中Y1所示，AV-100的推力间隙为0.48 mm。

图3 轴承结构剖面图

推力轴承瓦块表面承载能力的计算，是根据润滑油油压，密度，粘度和油膜厚度等计算出瓦块表面油膜的压力分布，再根据瓦块尺寸，计算出瓦块总的承受的推力。

定性分析压缩机运行中推力轴承瓦块的油膜承载能力是否在合理值范围之内是通过瓦温的判断。推力盘两侧推力轴承瓦块分为主推力瓦块和副推力瓦块，由于转子气体轴向力的方向性，其作用力主要是作用在主推力瓦块上，所以其瓦温要高于副推力瓦块，巴氏合金的最高使用温度不得超过100℃，所以压缩机正常运行时主推力瓦块工作温度应在70℃以内，而主副推力瓦之间的温差在10℃左右。

根据大致计算，平衡管气体推力达到气体轴向推力的65%左右，而止推轴承承载力要达到气体轴向推力35%。

3 轴流压缩机所受次要轴向力

次要轴向力包括主油泵传动齿轮的摩擦阻力、电机电磁阻力和压缩机及电机的支承轴承油膜产生的轴向摩擦阻力。

AV-100压缩机润滑油主油泵为齿轮泵，配置在压缩机转子非传动端，通过齿轮啮合由转子轴驱动，假设摩擦阻力为Ff。

P0—油泵的功率

n—油泵转数

f—齿轮摩擦系数

d—转子轴齿轮的节圆直径

电动机的磁场主要体现在定子和转子的间隙处称为气隙磁场。 当转子稳定运行在磁力中心线位置，气隙磁场的磁力线全部垂直于转轴，而没有轴向分量，也就没有转子延轴线窜动。当转子在气体轴向力作用下有偏离磁力中心线位置的趋势时，气隙磁场的磁力线就会有轴向分量，其作用在转子上会产生把转子拉回磁力中心线的轴向作用力，力的大小与偏离值相关。

AV-100轴流压缩机和电机转子的支撑轴承采用的是静压滑动轴承，通过外部油泵供油，形成具有足够压力的润滑油膜将轴颈浮起，由压力油的静压力支承转子重量。油膜的摩擦力主要是因为轴颈旋转形成的径向方向的摩擦力，而油膜轴向摩擦力是因为转子在气体轴向力作用下产生的轴向方向的运动趋势而形成的，它与油的粘度和厚度等密切相关。

总的来说，以上三种轴向力方向是跟随轴向位移方向变化而变化的，方向可能与气体轴向力的方向一致或相反，阻力数值相对于主要轴向力的数值较小。

4 长周期运行中可能引起轴位移增加的原因

在轴流压缩机长期稳定运行中可能引起轴位移增加的原因就是转子密封片磨损，造成密封间隙增大，增加了高压气体泄漏量，从而使平衡管气体推力降低，增加止推轴承瓦面的油膜承载力，会引起轴向力失衡，导致轴向位移增加。

如图4所示，AV-100轴流压缩机采用的是镶嵌型迷宫式密封，在新机组安装时，转子轴端密封片与机壳顶部的间隙d1和d2在0.45~0.5 mm之间，而经过几年的运转，间隙可放大到0.6~0.8 mm之间，甚至能达到0.9 mm。造成磨损主要的原因是转子发热膨胀，密封间隙缩小，压缩机运转时正常的振动幅值在0.3 mm左右，所以长时间运转后势必造成密封片磨损，解决的唯一方式就是利用压缩机大修的机会重新镶嵌密封片。

图4 镶嵌型迷宫式密封

5 结语

AV-100轴流压缩机转子轴向位移的大小，主要是气体轴向推力、平衡管气体推力和止推轴承推力三者平衡的结果。不仅要考虑到轴端密封气体泄漏降低平衡管气体推力对平衡的影响，同样要关注润滑油的乳化、粘度及污染度等指标，因为润滑油的性能指标下降以及由于可能的污染物造成的瓦块表面划伤等对形成良好油膜的影响，直接会导致油膜承载力的下降，影响轴向力的平衡，轴向位移增大，给压缩机运行带来威胁。

[1]黄钟岳，王晓放.透平式压缩机[M].北京：化学工业出版社，2004.8

[2]成大先主编.机械设计手册.第二卷[M].北京：化学工业出版社，2007.11