離心式壓縮機振動的原因與處理措施

王紅柱，陳擁軍

（湖北三寧化工股份有限公司，湖北枝江 443200）

1 離心式壓縮機的基本原理、結構和性能

1.1 離心式壓縮機的基本原理及優點

1.1.1 離心壓縮機的基本原理

離心式壓縮機的工作原理:當葉輪高速旋轉時，離心力通過葉輪出口接收葉輪擴散器，提高壓力能和運動能。當氣體進入擴散器時，運動能產生的壓力能進一步轉化靜壓能，再通過彎道、回流器流入下一級葉輪進行壓縮升壓，直至氣體壓力滿足工藝要求，離心壓縮機內氣體流動復雜，熱力學和動力學參數（如壓力、溫度、體積比、內能動力學等）根據不同的通道而變化，同一區域內點之間的參數差異也不同。在絕對坐標平面上，由于旋轉葉輪的氣流，占據空間的任何點的參數都會周期性變化。

1.1.2 離心壓縮機的優點

1.1.2.1 大流量

目前，離心式壓縮機的最高流量容積能夠達到36萬 m3/h，滿足了石化設備在大負荷下發展需要。

1.1.2.2 速度快，能源綜合利用

離心式壓縮機的轉速通常是5 000～20 000r/min，適用于各種工業型汽輪機。它不僅極大簡化了往復式活塞壓縮機的設計和結構，而且節約了資金，實現了壓縮機的自動變速和調節。

1.1.2.3 結構緊湊，占地面積小

與相同流量的活塞式壓縮機相比，該裝置的重量和占地面積要小得多。

1.1.2.4 運行可靠，排氣均勻，氣體不受油污染

正常情況下，設備可連續穩定運行2～3a。

1.2 離心式壓縮機的基本結構

離心式壓縮機的主體結構分為定子和轉子。定子的主要部件包括主軸、葉輪、擴壓器、蝸室、殼體、隔板、密封件、支撐軸承和葉輪之間的密封圈（如止推軸承、背環等）。

2 離心壓縮機典型故障特征

2.1 離心壓縮機常見振動故障分析

離心式壓縮機是許多大型化工公司的特護設備，其地位十分重要，若運行不穩定往往造成巨大的經濟損失。離心壓縮機的振動問題是最常見的問題。引起振動的因素很多，最重要的是找到各種振動的動力學和規律。如果設備有振動波動，可以立即找到原因并制定防范措施。

2.2 轉子的不平衡

造成轉子不平衡的原因主要是轉子質量不均或制造安裝誤差等，轉子若有不平衡，旋轉后會產生慣性離心力或慣性力偶距，這樣對軸承產生動壓力，從而在軸承中引起附加摩擦力與附加內應力，致使軸承磨損加劇，并使零件的強度降低，壽命縮短，同時會產生有害的震動。

2.2.1 轉子不平衡特性

（1）在轉子半徑測量的頻譜中，速度頻率分量具有凸峰。

（2）由于高頻時的諧波值非常低，因此它是時域波形中反射的正弦波。

（3）轉子兩端的振動值不對等。

（4）在頻譜中，諧波能量集中在基頻上。

（5）當旋轉頻率小于固有頻率時，振幅隨著旋轉次數的增加而增大。在固有頻率之后，當旋轉頻率增加時，振幅在轉速變小且穩定值接近固有頻率時出現最大峰值。

（6）轉子的軸是橢圓形的。

（7）振動速度對轉速的變化很敏感。

2.2.2 轉子不平衡的原因

2.2.2.1 設計問題

（1）旋轉體的幾何設計是不對稱的，重心不在旋轉軸上。

（2）轉子內外均存在未加工表面，質量分布變得不均勻。

（3）零件在轉軸上的安裝表面粗糙，配合公差不足，產生徑向或軸向振動。內部部件的松動時，轉子內孔高速膨脹，產生偏移。

（4）軸上的匹配鍵安裝在鍵槽中，形成局部金屬空位。

2.2.2.2 材料缺陷

（1）鑄件有氣孔，材料內部結構不均勻，材料厚度不均勻，如焊接結構。

（2）材料差，發生磨損和變形，質量分布變得不均勻。

2.2.2.3 加工和裝配誤差

（1）焊接和鑄造缺陷的建模。

（2）切割時的切割誤差。

（3）裝配中葉輪裝配誤差的累積導致重心偏移，并安裝在每個高速轉子上，葉輪需要動態平衡。

（4）材料熱處理不能滿足要求或消除殘余應力，在加工和焊接過程中發生變形。

2.3 油膜振蕩

油膜振動是高速滑動軸承的一種特殊缺陷。它是由油膜力引起的固有振動。當油膜振動發生時，輸入能量過大，會對轉子軸承系統和整個設備造成損壞。因此，需要深刻認識并有效預防。

油膜振動發生后，轉速繼續增加，振動減弱，振動頻率基本不隨轉速的增加而增加。軸承油膜的初始失穩與轉子載荷、臨界轉速和軸承相對偏移有關。

當轉速達到第一臨界轉速時，轉子具有較大的共振振幅，然后振幅減小。當轉速達到第一臨界轉速的兩倍時，油膜開始振動。

由于旋轉軸直徑的大偏心，轉子速度慢，穩定，半速旋轉不會發生。即使達到初始臨界速度的兩倍，也不會有太大的振動。如果轉速超過臨界轉速并達到一定轉速，則會發生油膜振動。

2.4 離心式壓縮機的旋轉失效與喘振

2.4.1 離心式壓縮機的旋轉失效

旋轉失速機理：當離心式壓縮機的工況發生變化時，通過壓縮機的氣流在一定程度上改變了流入葉輪或擴散器的氣流方向，氣流影響葉輪的工作面，在葉輪的加工表面上會出現大量的氣流漩渦。漩渦變大，通道面積變得越來越小。如果兩個通道中有更多渦流，多余的氣體進入一個或多個葉片通道。流入葉片通道的氣體影響工作表面，增加渦流，阻止通道的有效流動面積，并導致工藝氣流入通道引導的其他通道。通過這種發展，由渦旋組成的氣團向后傳播和振蕩。

2.4.2 喘振

喘振是陡失速的進一步發展。當氣體量進一步減少時，大容量管道中的壓力不會立即下降，管網中的氣體會返回壓縮機。當管道壓力低于壓縮機出口壓力時，氣體回流停止，壓縮機恢復到原始壓力，整個通道出現渦流區。因此，裝置存在壓力和流量的周期性脈動、低頻旋轉和強烈振動。振動的振幅和頻率與管網的體積密切相關。管網容量越大，喘振頻率越低，振幅越大。

喘振產生的原因：

（1）壓縮機轉速降低，但出口壓力不下降。

（2）管道壓力增加。

（3）壓縮機的流速降低。

（4）壓縮工藝氣體進口溫度高。

（5）工藝氣體成分發生變化，分子量降低。

（6）壓縮機進口壓力降低或進口管網阻力增大。根據這些條件，性能曲線降低，工作點落在喘振振動線上，導致機組喘振。

2.5 轉子與氣封間的摩擦

為了提高離心式壓縮機的效率，通常會減小隔板間隙和口環間隙，以減少氣體泄漏。然而，除了流體動力激勵外，轉子和氣封之間的小間隙通常是摩擦。轉子與氣封之間的兩種摩擦是轉子旋轉過程中轉子與氣封的局部碰撞。

2.5.1 局部磨損特性

當發生局部摩擦時，接觸力與旋轉體的運動之間存在非線性關系，導致高次諧波振動。局部摩擦是一種非對稱非線性振動。在大多數情況下，速度頻率的1/2會發生，轉速是旋轉體的固有頻率，共振發生在兩倍波數以上。

2.5.2 周圍摩擦力的特性

較大的圓周摩擦力或整體圓周摩擦力將導致較大的摩擦運動。當旋轉體存在大面積摩擦時，波形會出現波紋撕裂現象。如果在正方向上，從振動變為反向振動，則表明旋轉體具有完全摩擦。

3 離心式壓縮機振動故障的處理對策

3.1 解決振動類故障的方法

作為消除振動干擾的另一種方法，當設備在達到臨界速度的過程中發生振動時，可以通過調整和改變臨界速度來消除過度振動。在解決喘振現象的方法中，可以將離心式壓縮機設置在喘振范圍之外。當能夠保護喘振壓縮機的轉子和定子的同心度超過標準和過度振動，并且能夠將轉子和定子的均勻性調整到標準時，可以通過求解轉子和定子的同心度來確定離心壓縮機，解決轉子與定子之間振動過大的問題。

3.2 避免氣流激振力對轉子系統的影響

（1）檢查壓縮機主軸。如果主軸正常，檢查離心式壓縮機的葉輪。如果被測葉輪上黏有異物或缺陷，則可能導致離心壓縮機過度振動。面對這種現象，離心式壓縮機的離心振動可以去除、清洗和安裝。請注意，如果在此過程中某些零件損壞，則必須及時更換。

（2）旋轉體的兩側都是密封的，它們之間有壓差。當氣流通過閉合的高壓進入低壓時，當高速氣流通過該過程時，旋轉體產生外部激勵，旋轉體系統產生激勵。離心式壓縮機轉子系統旋轉期間，密封間隙的工藝氣間隙在轉子旋轉方向之前旋轉，當氣流與旋轉前的轉子轉速一致時，產生沖擊力，沖擊力用于轉子系統。在這種情況下，在密封的兩側增加了工藝氣攪拌器的結構，以避免增加旋轉失效運動。

（3）及時更換離心壓縮葉輪材料。普通離心式壓縮機有葉輪變形、葉輪損壞、壓縮機氣封損壞、轉子摩擦大，在快速運行過程中容易氧化和腐蝕，可以用特殊材料代替合金材料，以避免因氧化或腐蝕造成的葉輪損壞或變形而導致壓縮機振動。

（4）用波紋管換熱器代替普通列管冷卻管。在離心式壓縮機中，波紋管換熱器增加了換熱器的換熱面積和減小水的用量，提高了設備的換熱效果。此外，該設備的使用可以避免因大量工藝氣流量而導致的快速冷卻不足，它可以減少因工藝氣管道的外力自由膨脹而引起的振動。

（5）及時清理機組葉輪和隔板處結疤。在高速運動的過程中，離心式壓縮機很容易在葉輪上和隔板上產生異物，影響到設備的進氣，破壞了轉子的平衡，不僅會對大量工藝氣物料造成浪費，而且也極大降低了壓縮機設備的性能和使用壽命。因此，可以考慮通過在壓縮機的一段進氣設置旋轉分離器，利用裝置本身的離心力來去除工藝氣的雜質。由于葉輪高速運動，葉輪很容易被雜質損壞，因此有必要將提前置于分離器，以確保工藝氣無雜質并均勻地進入。

（6）提升機組檢修質量。此項維護工作不但工作任務重，而且維護時間有限，維護的精度也要求很高，因此需要成立一個專門負責維護的人員和管理團隊。

為了改善和提高設備維護的質量，在設備中安裝了實時監控運行狀態的檢查系統。在進行工廠振動故障診斷和處理過程中，確認了零部件裝配的準確性和精密度，并保留了所有數據以滿足制造商的各種技術需要和規則，消除了一些非標準的人為因素。

許多設備的故障和癥狀并不是完全相應，同時也存在許多設備的故障。為了有效地解決問題，機組工程師們必須有詳細而全面地了解，必須準確地掌握振動的知識和原理。

4 結束語

有必要預防離心壓縮機的振動，充分重視預防，維護好離心壓縮機，并有效提高離心式壓縮機的運行質量周期。