密封間隙中流體激振引起高爐鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)一例

侯長(zhǎng)波，李 楊，陳向英

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

壓縮機(jī)是現(xiàn)代冶金企業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備之一，尤其是大型軸流壓縮機(jī)是高爐冶煉不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。首鋼股份公司三號(hào)高爐配置的高爐鼓風(fēng)機(jī)是AV100 全靜葉可調(diào)軸流壓縮機(jī)，在一次檢修后，出現(xiàn)了軸振動(dòng)升高的問題，嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，無法正常投入生產(chǎn)。

1 現(xiàn)象描述

首鋼股份4#高爐鼓風(fēng)機(jī)AV100-19 專為三號(hào)高爐供風(fēng)，在一次中修后試車，軸振動(dòng)明顯升高。從振動(dòng)趨勢(shì)圖（圖1）可見，振動(dòng)值隨靜葉角度增大、出口壓力升高而進(jìn)一步升高，從17 μm 升高到63 μm，而且還有繼續(xù)升高趨勢(shì)。

圖1 鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)和轉(zhuǎn)速圖

2 問題分析

首鋼股份的高爐鼓風(fēng)機(jī)都安裝了大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)S8000，從軸心軌跡和頻譜圖上看，見圖2，振動(dòng)能量集中在1倍頻，軸心軌跡呈正進(jìn)動(dòng)橢圓形，初步判斷是不平衡問題。

圖2 軸心軌跡和頻譜圖

結(jié)合本次中修項(xiàng)目考慮，為處理進(jìn)氣側(cè)漏氣量大的問題，本次中修更換了進(jìn)氣側(cè)氣封片。該氣封是高低齒迷宮型密封，主要作用是封住從平衡管引來的高壓氣體，減少泄漏。更換氣封片后雖然漏氣量有改善，但手工安裝打磨的氣封片圓度無法保證配合間隙均勻。由于密封片本身質(zhì)量很輕，相對(duì)于轉(zhuǎn)子來講可以忽略不計(jì)，所以考慮圖譜中表現(xiàn)的不平衡并不是簡(jiǎn)單的質(zhì)量不平衡，一定是存在外力作用，而且此外力大小和靜葉角度及機(jī)組出口壓力正相關(guān)。

從機(jī)組結(jié)構(gòu)圖可知，與靜葉角度及出口壓力有關(guān)，且又與進(jìn)氣側(cè)氣封有關(guān)的，只有平衡管中的高壓氣體。見圖3。

圖3 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

平衡管的作用是將機(jī)組出口的高壓氣體引入進(jìn)氣側(cè)，高壓氣體作用在平衡盤上，可以平衡一部分由于氣動(dòng)引起的指向進(jìn)氣側(cè)的軸向推力，用以減輕止推軸承的負(fù)荷，延長(zhǎng)止推軸承使用壽命。平衡管中的氣體壓力隨著靜葉角度增大、出口壓力增大而增大，而平衡盤兩側(cè)就是本次檢修更換的氣封。

深入分析平衡盤兩側(cè)氣封中的氣流情況，當(dāng)氣流進(jìn)入迷宮密封腔時(shí)，不僅以很大的軸向速度通過各腔，而且在軸的帶動(dòng)下具有很大的周向速度，所以氣流在密封體內(nèi)是以螺旋的形式向外流動(dòng)的。由于人工安裝打磨的密封齒在迷宮槽內(nèi)圓周上配合間隙的不一致，造成迷宮密封腔壓力沿周向分布不均勻，配合間隙小的部位壓力高于配合間隙大的部位，同時(shí)考慮Lomakin 效應(yīng)、Alford效應(yīng)、二次流效應(yīng)等，密封腔中的螺旋流動(dòng)使周向壓力分布的變化與轉(zhuǎn)子和密封腔之間的間隙變化不會(huì)正好對(duì)應(yīng)，最高壓力點(diǎn)會(huì)滯后密封腔最小間隙一定角度[1]，這樣氣流作用在轉(zhuǎn)子上形成一個(gè)合力F，見圖4。該合力大小與氣流壓力有關(guān)、與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)，與配合間隙有關(guān)，該合力超過一定值時(shí)，將激勵(lì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)[2]。

圖4 密封中氣流對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力

這就與機(jī)組檢修后試車中表現(xiàn)的情況相對(duì)應(yīng)，當(dāng)增大靜葉角度，增加進(jìn)氣量時(shí)，機(jī)組出口氣壓會(huì)隨之升高，高壓氣體通過平衡管導(dǎo)入吸入側(cè)的平衡盤，使平衡盤兩側(cè)的迷宮密封腔體中的氣流升壓，造成激振力增大，機(jī)組振動(dòng)增大；而減小靜葉角度，機(jī)組負(fù)荷降低后，振動(dòng)會(huì)隨之減小。因?yàn)榧ふ窳κ菑拿芊馇徊课蛔饔迷谵D(zhuǎn)子上的，方向隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，即轉(zhuǎn)子上多了一個(gè)力，從振動(dòng)頻譜圖、軸心軌跡圖上看，就和轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的表現(xiàn)一致。

3 解決方案

弄清機(jī)組振動(dòng)的真正原因之后，就可以針對(duì)性地采取一些措施，可以從以下有幾個(gè)方面考慮：

（1）重新更換氣封，利用大型車床，對(duì)氣封片進(jìn)行車削，與手工打磨相比，車床車削后氣封尺寸更加精準(zhǔn)，配合間隙更均勻，可以有效減小這種激振力，使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）考慮到公司生產(chǎn)的連續(xù)性要求，較長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)檢修機(jī)會(huì)難得，要短時(shí)間維持運(yùn)行可以考慮控制平衡管內(nèi)的氣體壓力。在平衡管上加閥門控制內(nèi)部氣體流通是個(gè)辦法，但這個(gè)方法要求對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷及止推軸承載荷進(jìn)行核算，在確保不傷害機(jī)組和止推軸承的前提下進(jìn)行，實(shí)施起來，控制的難度和風(fēng)險(xiǎn)也較大。

（3）如果有機(jī)會(huì)能進(jìn)行技術(shù)改造，將原機(jī)的高低齒型迷宮密封改造成蜂窩密封，或者只將低齒密封槽改成蜂窩密封，也是解決此問題的較好選擇。蜂窩密封的蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以把泄漏流分割成無數(shù)個(gè)小渦流，使泄漏流的能量得到充分耗散，起到軸向和周向雙向阻尼作用，形成阻礙氣體泄漏的有效屏障，實(shí)踐證明，蜂窩密封能大幅減少泄漏量，一定程度地提高機(jī)組效率。

綜合考慮采取第一種方案，結(jié)合檢修重新更換了氣封，并進(jìn)行機(jī)械車削，回裝后試車，機(jī)組振動(dòng)正常，運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)論

機(jī)組振動(dòng)是壓縮機(jī)等是大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備最關(guān)注的的參數(shù)之一，隨著各種在線檢測(cè)診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，分析振動(dòng)原因更準(zhǔn)確、便捷。分析圖譜時(shí)要將頻譜特征結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中的參數(shù)變化特點(diǎn)、以及結(jié)合檢修內(nèi)容綜合考慮，理論聯(lián)系實(shí)際，才能準(zhǔn)確判斷原因，有針對(duì)性地解決問題。