CO2離心壓縮機(jī)組推力瓦溫高問(wèn)題的分析

蘇中帥，周 慧，王 碩，王延飛，王 俊

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

CO2離心壓縮機(jī)組推力瓦溫高問(wèn)題的分析

蘇中帥，周 慧，王 碩，王延飛，王 俊

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

目前國(guó)內(nèi)多家煤化企業(yè)反映，CO2離心壓縮機(jī)組的高壓缸在運(yùn)行期間止推軸承瓦溫高，接近甚至超過(guò)機(jī)組溫度報(bào)警值，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給裝置的安全也帶來(lái)了隱患。根據(jù)用戶提供的壓縮機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)，我們對(duì)各個(gè)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了解決的辦法及處理問(wèn)題的新思路。

止推軸承；軸向推力；軸向位移

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)尿素裝置用二氧化碳離心壓縮機(jī)組，裝置設(shè)計(jì)的產(chǎn)能也在不斷增大，由早期的30/52大顆粒尿素裝置到現(xiàn)如今的60/104大顆粒尿素裝置。而最近幾年常有用戶反映CO2離心壓縮機(jī)組在開(kāi)車及運(yùn)行期間出現(xiàn)止推軸承瓦溫高，接近甚至超過(guò)機(jī)組檢測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)鎖報(bào)警值，給機(jī)組開(kāi)車及生產(chǎn)帶來(lái)很多問(wèn)題，在開(kāi)車過(guò)程中由于止推軸承瓦溫高，致使機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速無(wú)法升高，達(dá)不到機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)，機(jī)組不能正常開(kāi)車；在運(yùn)行機(jī)組，由于止推軸承瓦溫高，機(jī)組不能再進(jìn)行變工況升速調(diào)節(jié)，達(dá)不到設(shè)計(jì)的額定產(chǎn)能。這些問(wèn)題不但影響了裝置的安全和產(chǎn)量，也影響了客戶的經(jīng)濟(jì)效益，而且增加了維修成本。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了綜合分析與研究，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，并提出了解決辦法與一些設(shè)計(jì)改進(jìn)的新想法。

1 引起止推軸承瓦溫高的主要因素

現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分離心壓縮機(jī)組使用的止推軸承為Kingsbury自平衡式，是由若干個(gè)止推塊組成。止推塊下墊有上水準(zhǔn)塊、下水準(zhǔn)塊、基環(huán)，相當(dāng)于三層零件疊放在基環(huán)上，止推塊與水準(zhǔn)塊之間通過(guò)球面支點(diǎn)接觸。經(jīng)過(guò)我們對(duì)大量壓縮機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)分析后，認(rèn)為引起止推軸承瓦溫高主要有以下幾個(gè)方面因素：

1.1 軸承沒(méi)有正確安裝

（1）Kingsbury式止推軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不同的生產(chǎn)廠家、不同的壓縮機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)采用的軸承的機(jī)構(gòu)形式也不盡相同。有的止推軸承的止推塊與水準(zhǔn)塊是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的，有的是偏心結(jié)構(gòu)的（見(jiàn)圖1）。

圖1 推力瓦塊與水準(zhǔn)塊配合示意圖Fig.1 Thrust segment with standard block diagram

偏心結(jié)構(gòu)的止推瓦塊安裝時(shí)要注意安裝方向，若安裝反了，則會(huì)導(dǎo)致推力瓦溫過(guò)高。

（2）安裝間隙調(diào)節(jié)不當(dāng)也會(huì)引起止推軸承瓦溫高。應(yīng)經(jīng)常采取增加或減少非工作側(cè)（副推）方向的調(diào)整墊片的厚度來(lái)調(diào)整。

1.2 軸承潤(rùn)滑油回路不暢

（1）軸承體外部進(jìn)、回油結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起的推力瓦溫過(guò)高。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)軸承需要的潤(rùn)滑油量充分考慮進(jìn)、回油口徑的大小，以滿足軸承潤(rùn)滑冷卻用的潤(rùn)滑油量。

（2）軸承本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)局限引起的推力瓦溫過(guò)高。有的止推軸承帶油控制環(huán)結(jié)構(gòu)，但一般油控制環(huán)的出油口徑設(shè)計(jì)偏小，導(dǎo)致軸承體內(nèi)部潤(rùn)滑油不能及時(shí)排掉，大量熱量在軸承體內(nèi)蓄積造成。

1.3 機(jī)組轉(zhuǎn)子系殘余軸向推力大

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)止推軸承瓦溫高的CO2機(jī)組中，大部分機(jī)組都是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向推力大引起的。

（1）轉(zhuǎn)子軸向推力過(guò)大引起的危害：輕微的引起推力瓦溫高，推力瓦磨損。嚴(yán)重的導(dǎo)致定子部件磨損，如機(jī)殼、隔板、密封等部件的磨損；更為嚴(yán)重的能使轉(zhuǎn)子部件損壞，甚至能將整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)子報(bào)廢。

（2）影響機(jī)組軸向推力的主要因素：有氣動(dòng)因素產(chǎn)生的軸向推力與非氣動(dòng)因素產(chǎn)生的軸向推力兩種情況。此外，壓縮機(jī)在用戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)各段壓比對(duì)機(jī)組的軸向推力影響也比較大。機(jī)組各段的壓比一定要與壓縮機(jī)制造廠提供的設(shè)計(jì)值相匹配，否則機(jī)組的軸向推力就會(huì)偏離設(shè)計(jì)值。

（3）軸向推力計(jì)算的新思路：在產(chǎn)生軸向推力的因素中，氣動(dòng)引起的軸向推力是最直接的，也是最主要的。但常規(guī)的軸向推力計(jì)算，應(yīng)用在高壓力、重介質(zhì)機(jī)組上。以下是轉(zhuǎn)子軸向推力的計(jì)算方法：

圖2 軸向推力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 The axial thrust calculation diagram

F1—葉輪進(jìn)口氣體對(duì)葉輪的作用力；F2—葉輪進(jìn)出口氣體軸向動(dòng)量變化對(duì)葉輪產(chǎn)生的作用力；F3—輪蓋外側(cè)間隙氣體對(duì)葉輪產(chǎn)生的作用力；F4—輪盤外側(cè)間隙氣體對(duì)葉輪產(chǎn)生的作用力；P0—葉輪進(jìn)口處的靜壓；P1—輪盤外側(cè)間隙氣體對(duì)葉輪產(chǎn)生的作用力；Qm—介質(zhì)的質(zhì)量流量；u1z—葉輪入口處的切線速度；u2z—葉輪出口處的切線速度。

圖3 離心力作用下的單元體模型Fig.3 Under the action of centrifugal force model of the unit cell

由于存在離心力的作用和級(jí)間的影響，葉輪進(jìn)口處的靜壓P0沿徑向不是一個(gè)恒定值，此時(shí)，葉輪進(jìn)口氣體靜壓對(duì)葉輪產(chǎn)生的軸向推力P1為：

現(xiàn)有算法假設(shè)葉輪進(jìn)口氣流靜壓均勻分布，此時(shí)：

葉輪進(jìn)出口氣體軸向動(dòng)量變化對(duì)葉輪產(chǎn)生的作用力P2，根據(jù)牛頓動(dòng)量定理：F2=Qm（u2z-u1z）。現(xiàn)有計(jì)算方法中一般簡(jiǎn)化為：F2=-Qmu1z。

由于進(jìn)口速度無(wú)法直接求得，該力經(jīng)常被直接忽略。因輪盤外側(cè)氣體受摩擦力的作用，間隙中的氣體以角速度ωras旋轉(zhuǎn)，對(duì)圖中所示的微流體單元，根據(jù)力的平衡，得：

由此可得輪盤外側(cè)間隙氣體對(duì)葉輪產(chǎn)生的作用力：

不考慮葉輪出口盤側(cè)蓋側(cè)壓力及密度的差別時(shí)，葉輪軸向推力F等于：F=F4-F3-F2-F1。

假設(shè)輪盤輪蓋外側(cè)壓力都等于出口壓力，并且不考慮葉輪進(jìn)出口氣體軸向動(dòng)量的變化：

當(dāng)總壓超過(guò)30ATA時(shí)，按照GE-NuoVo Pignone考慮二次效應(yīng)的計(jì)算公式：

實(shí)際上離心壓縮機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下，壓縮的工藝介質(zhì)的不同，葉輪口圈密封及級(jí)間密封形式的不同，葉輪形式的不同，都會(huì)對(duì)機(jī)組的軸向推力產(chǎn)生影響；不同轉(zhuǎn)速，不同流量系數(shù)對(duì)應(yīng)不同的軸向推力，有泄漏與無(wú)泄漏時(shí)，葉輪兩側(cè)的靜壓不同，葉輪與定子部件間隙中氣流的速度分布等等，也會(huì)對(duì)機(jī)組的軸向推力產(chǎn)生影響；綜合考慮上述因素，對(duì)于已有計(jì)算結(jié)果的模型級(jí)系列，采用的公式如下：

2 用戶現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題解決實(shí)例

某CO2離心壓縮機(jī)組高壓缸2BCL356機(jī)型：用公式（1）設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子系的軸向殘余推力為984 kgf/cm2，平衡盤直徑為 146 mm。我們采用新計(jì)算方法校核后：軸向殘余推力實(shí)際為 1963kgf/cm2，比原計(jì)算結(jié)果增加了979kgf/cm2，增大了一倍。

平衡盤直徑修改為152mm后，軸向推力與原設(shè)計(jì)值相當(dāng)。其機(jī)組轉(zhuǎn)子經(jīng)返制造廠改造后，將平衡盤直徑增加了6mm，重新裝配運(yùn)轉(zhuǎn)后，止推軸承瓦溫與軸向位移值均降到了正常設(shè)計(jì)值，與理論分析計(jì)算結(jié)果相符。

3 結(jié)束語(yǔ)

軸向推力大，推力瓦溫度高，往往不是由一種因素所造成的，而是多種因素綜合作用的結(jié)果。只有對(duì)所有因素進(jìn)行綜合分析，才可能制定切實(shí)可行的處理方案，取得令人滿意的效果。筆者對(duì)上述項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行了有限總結(jié)、分析和改進(jìn)，希望能對(duì)后繼設(shè)計(jì)以啟迪和參考。

表1 葉輪進(jìn)出口氣動(dòng)參數(shù)Tab.1 Aerodynamic parameters of impeller import and export

圖4 用新計(jì)算方法計(jì)算的軸向推力結(jié)果Fig.4 The results of new calculation method to calculate the axial thrust

圖5 平衡盤直徑增加后的計(jì)算結(jié)果Fig.5 The calculation results of after balance drum diameter increases

[1]曾丹苓，等.工程熱力學(xué)[M].高等教育出版社，1980.

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Analysis on High Temperature Issue of Thrust Bearing of CO2Centrifugal Compressor

SU Zhong-Shuai，ZHOU Hui，WANG Shuo，WANG Yan-Fei，WANG Jun
（Shenyang Blower Works Group Corporation Ltd.,Shenyang Liaoning 110869，China）

Currently,according to feedback from many coal-chemical enterprises in China,thrust bearing temperature of high pressure cylinder of CO2centrifugal compressor unit is high during operation period,which is close to or exceeds temperature alarm value of the unit; therefore it seriously affects normal operation of the unit,which causes potential safety hazard to the unit.upon operation parameters of compressor unit at site from our endusers,we have analyzed and summarized operation status of each unit at site,and thus brought forward solutions and some new ideas for trouble shooting.

thrust bearing；axial thrust；axial displacement

TB47

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.008

1002－6673（2014）03－020－03

2014－04－03

蘇中帥（1979-），男，遼寧人，工學(xué)學(xué)士，主任科員。從事離心壓縮機(jī)裝置國(guó)際項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)工作。