關于離心壓縮機產生氣體渦旋引發振動的特性綜述

佟永龍，魯悅，劉云龍

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 離心壓縮機隔板空腔結構如何產生氣體渦旋

一般結構形式下的離心壓縮機由密封、隔板及轉子葉輪組成流道，氣流通過壓縮機入口、第一級葉輪、擴壓器、回流器進入到下一級葉輪中，如圖1 所示。氣體通過每一級的不斷壓縮，最終氣體從出口流出。由于隔板的中分面無空腔，壓縮機每級之間都有密封，因此，氣體向外泄漏量很微小，在轉子高速運行中不會形成氣體渦旋。

圖1 隔板與葉輪形成的流道及流場

當離心壓縮機隔板中分面存在空腔，空腔內的空氣隨著壓縮機轉速提升，壓力升高形成氣體旋渦旋。氣體渦旋產生后，壓縮機內部無法形成靜壓狀態，而隔板空腔的兩端都有密封及壓力差，空腔內的氣體無法有效排出，低壓側氣體會通過密封向空腔內泄漏。隔板空腔內的氣體渦旋無高壓氣體沖擊無法打散，隨著轉速越來越高，氣體渦旋也越來越多，最終作用在轉子上產生氣體激振力作用，如圖2 所示。

圖2 左半部分為隔板空腔氣流流場示意，右半部分為正常流道內氣體流場示意

2 氣體渦旋產生激振力后對離心壓縮機的影響

當離心壓縮機受到氣體激振力作用后，所表現的主要振動頻率特性將由正常的1 倍頻變為更小倍數的低頻，通常在0.3～0.6 倍。這種低頻振動的特性也是氣體激振力引發轉子振動的主要特征之一，并且以低頻簇的形式存在。氣體渦旋不斷地對轉子施加激振力，壓縮機表現為振值較高并且持續波動現象，如圖3 所示。

圖3 氣體渦旋引發的振動頻率及振動波動趨勢

由于機組振動幅值較高，并且存在劇烈波動，壓縮存在著振動聯鎖停車風險。同時，這種低頻的氣體渦旋對于壓縮機的進出氣管路也有影響，尤其是隔板空腔所對應的管路會發生振動現象。低頻振動情況持續存在，如果得不到改善，葉輪會產生高周疲勞影響。

3 氣體渦旋引發離心壓縮機振動的特點分析

氣體渦旋所引發的振動頻率特征與激振、旋轉失速十分相像，不通過系統的對比分析，很難區分引發原因。通過對這幾類振動原因研究發現，氣體渦旋引發振動主要有五大特點：振動頻率范圍在0.3～0.6 倍頻；振動呈現周期性波動，與壓力、流量等數據無正相關性；離心壓縮機內氣旋持續產生，對轉子產生氣體激振力；離心壓縮機內部結構有利于氣旋產生；增減流量，改變壓力對振動無改善效果。

通過對比以上不同的振動現象，整理出各種振動現象的不同之處，我們可以掌握氣體渦旋引發振動對機組造成的影響，從而快速有效地分析問題、解決問題（見表1）。

表1 不同類型振動特征對比

4 隔板空腔引發氣體渦旋的優化措施

針對隔板空腔引發的氣體渦旋，在實際操作中通過降低轉速、增大流量及降低壓力等措施，并不能改善。需要通過徹底消除隔板的空腔結構，使空腔內的氣體不再隨著壓縮機的運行而形成渦旋對轉子產生氣體激振力。因此，隔板空腔結構在離心壓縮機的設計上需要盡量避免；如果隔板空腔結構無法避免，可以在隔板空腔位置增加蜂窩密封結構，通過蜂窩密封內部特殊的六角形結構，將氣體渦旋打散消除,抑制低頻振動振幅。