离心压缩机转子轴向力的计算及减小措施

彭 刚

（中国石油大庆炼化公司检维修中心，黑龙江大庆 163411）

0 引言

在投入使用一段时间后，离心压缩机会因为密封圈损坏、平衡管堵塞、润滑油减少等原因，导致叶轮轴向力突然增大。正常情况下，可以利用转子平衡盘可以平衡掉一部分轴向力，从而使叶轮轴向力维持在设计范围之内。经过平衡处理后，如果仍然存在轴向力偏大的情况，就会造成轴承的载荷过大、加剧磨损，缩短设备的使用寿命，甚至会出现“烧瓦”的情况。因此，在离心压缩机的日常维护中，需要计算转子轴向力、以判断是否超出正常范围，超出范围的则必须尽快采取措施减小轴向力。轴向力主要由平衡盘和止推轴承来平衡，因此可以通过增大平衡盘、改善止推轴承润滑性能等措施来减小轴向力。

1 离心压缩机转子轴向力求解

1.1 基本参数

本文选用RBZ45-2+2+3 离心压缩机作为研究对象，其主轴与端盖之间为碳环密封，各级段间的轴封为迷宫密封。转子共有7 级叶轮，平衡盘位于末级叶轮的外侧。该压缩机的性能参数见表1，结构参数见表2。

表1 压缩机性能参数

表2 压缩机结构参数 mm

1.2 转子轴向力的计算

离心压缩机转子轴向力的合力Ftot由轮盘侧间隙轴向力F2、进口压力产生的轴向力F0、轮盖侧间隙轴向力F1和进口气体动量产生的轴向力Fcz共同组成[1]。即Ftot=F2-F0-F1-Fcz。

（1）轮盘侧间隙轴向力F2的计算公式为：

式中 Pr2——轮盘侧间隙气体压力，MPa

D2——叶轮出口直径，mm

dm——轮盘后直径，mm

r——转子直径，mm

（2）进口压力产生的轴向力F0的计算公式为：

式中 D1——轮盖进口直径，mm

dj——轮毂直径，mm

P1——进口压力，MPa

（3）轮盖侧间隙轴向力F1的计算公式为：

式中Pr1——轮盖侧间隙气体压力，MPa

（4）进口气体动量产生的轴向力Fcz的计算公式为：

式中 Qm——进口气体流量，m3/h

cz——进口横截面积，mm2

1.3 轴向力计算结果

本文研究的离心压缩机共有7 级叶轮，需要根据转子与各级叶轮尺寸和进出口压力，分别计算各级叶轮的轴向力，最后再通过求和得到整个转子系统的总轴向力[2]。这里以第一级叶轮为例，结合离心压缩机的基本参数，计算其轴向力。计算过程如下：

（4）进口气体动量产生的轴向力Fcz=Qmcz=47.5×15=712.5 N。

所以，第一级叶轮的轴向力Ftot=F2-F0-F1-Fcz=106 058 N。

按照同样的方法，可以分别求得2～7 级叶轮的轴向力（表3）。

表3 转子各级叶轮的轴向力 N

结合表3 的数据，利用求和公式计算转子系统7 级（未级）叶轮的总轴向力F=4.4×105N。

在离心压缩机的组成结构中，平衡盘的主要作用是调节转子轴向力（图1）。图1 中，Db1、Dbh表示的是平衡盘高压侧、低压侧的内径，Db2表示的是平衡盘的外径；P1和P2分别表示进口与出口压力。

图1 平衡盘结构

平衡盘可以平衡掉的轴向力，可通过式（5）求得：

结合上文计算结果，总轴向力F 为4.4×105N，则轴承的轴向力为Fz=F-Fb。

求得Fz为2.1×105N。由此可得，在RBZ45-2+2+3 离心压缩机的实际运行过程中，应确保转子轴向力不超过2.1×105N，否则有可能导致止推轴承的轴向载荷过大而加剧止推轴承的磨损。

2 离心压缩机减小轴向力的措施

离心压缩机在运行工况稳定、内缸密封良好的情况下，轴瓦可以正常承载轴向力。但是随着离心压缩机运行时间的增加，特别是在日常养护不到位的情况下，润滑油减少、品质下降，导致轴向力明显增加。当轴向力超出轴承的负载后，就会影响轴承的正常运行，严重时还会导致停机故障[3]。因此，当轴向力过大时，需要采取措施减小轴向力，常用的方法有改造平衡管和加大平衡盘两种。

2.1 改造平衡管

本文研究的RBZ45-2+2+3 离心压缩机，平衡管位于平衡盘出口与压缩机进口之间，由于平衡室内工艺气压力可以达到1.1 MPa，这些高压气体进入压缩机进口后会导致压缩机发生喘振，从而增加轴向力。因此，本文对平衡管进行了优化改造，平衡管一端连接平衡盘的出口、另一端放空，这样平衡室的高压工艺气可以经平衡管直接排放到空气中[4]。改造后，平衡管的排气量可以达到2800～3100 Nm3/h。经运行观测发现改造后的压缩机工况稳定，喘振问题得以解决。

同时，利于式（5）计算改造后的被平衡掉的轴向力。将数值带入上式后，求得Fb为2.9×105N。改造后的轴向力Fz=F-Fb，则可求得Fz为1.5×105N、小于改造前的2.1×105N，这说明经过平衡管改造后离心压缩机的轴向力已明显降低。

2.2 增大平衡盘面积

平衡盘的一侧是叶轮，另一侧是平衡室。平衡盘两侧的出口压力和入口压力存在一定的压力差，而这个压力差与叶轮轴向力相反，进而具备了平衡轴向力的功能。平衡盘对轴向力的调节能力受到多种因素（如尺寸、形状等）的影响，本文在进行离心压缩机改造时遵循简易性和适用性原则，调整了平衡盘的尺寸，平衡盘直径由原来为290 mm 的调整为300 mm。重新安装后，由于平衡盘直径增加，因此两侧的压力差也会相应的加大，从而达到减小轴向力的效果[5]。

改造后的轴向力Fz为1.13×105N，小于改造前的2.1×105N，说明增加平衡盘尺寸后轴向力大幅降低。

3 结束语

转子轴向力过大是离心压缩机运行过程中比较常见的一类现象，造成这一现象的原因有多种，如平衡管的安装方式不科学、止推轴承的润滑效果变差、轴承密封失效等。轴向力过大会加剧止推轴承的磨损，进而引起“烧瓦”等故障，对离心压缩机的稳定运行造成影响。目前减小轴向力的措施主要有两个对象，一是平衡盘、平衡管，另一个是止推轴承。本文主要针对前一种措施展开分析，改造平衡管连接方式。增大平衡盘尺寸之后，经过转子轴向力计算，可以发现改造后的转子轴向力比改造前有大幅降低。经过改造后，止推轴承所受轴向力处于合理范围之内，对延长轴承使用寿命和保障离心压缩机的稳定、高效运行有积极帮助。