某過程工業(yè)用離心壓縮機(jī)模型級(jí)軸向推力測(cè)量研究

譚佳健 劉長(zhǎng)勝,2 孫玉瑩 沙 龍 官文超

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

某過程工業(yè)用離心壓縮機(jī)模型級(jí)軸向推力測(cè)量研究

譚佳健1劉長(zhǎng)勝1,2孫玉瑩1沙 龍1官文超1

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

以某小流量系數(shù)離心壓縮機(jī)模型級(jí)為研究對(duì)象，測(cè)量了模型級(jí)葉輪蓋側(cè)以及盤側(cè)間隙的靜壓分布以及葉輪的軸向推力。測(cè)量結(jié)果表明：葉輪盤側(cè)間隙與蓋側(cè)間隙靜壓分布沿半徑增大的方向基本呈線性分布；葉輪軸向推力是靜態(tài)力與動(dòng)態(tài)力的合成，靜態(tài)力是主要成分，動(dòng)態(tài)力也占有較高比例；葉輪軸向推力基本上隨著機(jī)器馬赫數(shù)的增加而增大，主推力基本上隨著流量的減小而增大，但到近喘振點(diǎn)時(shí)主推力會(huì)有所減小。

離心壓縮機(jī)；軸向推力；測(cè)量

0 引言

離心壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于石油、化工等諸多重要部門，是許多工藝流程中的心臟設(shè)備，其安全可靠性是離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中考慮的首要問題。推力軸承瓦塊磨損或推力瓦溫度過高是離心壓縮機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)中常見的故障，而這種故障多是在設(shè)計(jì)階段對(duì)轉(zhuǎn)子軸向力的計(jì)算不準(zhǔn)確所造成的。因此，轉(zhuǎn)子軸向推力的計(jì)算是離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到離心壓縮機(jī)能否安全可靠運(yùn)行。本單位開發(fā)出了一種離心壓縮機(jī)軸向推力計(jì)算的新方法，作為對(duì)軸向推力計(jì)算新方法的驗(yàn)證與校核，本文的工作主要側(cè)重于對(duì)某離心壓縮機(jī)模型級(jí)軸向推力以及葉輪蓋側(cè)及盤側(cè)間隙內(nèi)靜壓進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。

目前從已調(diào)研的文獻(xiàn)[1-8]來(lái)看，大部分是關(guān)于軸向推力計(jì)算方法的研究，而軸向推力測(cè)量方面的研究主要是針對(duì)水泵[9-15]、渦輪增壓器[16-17]以及雙螺桿磨漿機(jī)[18-19]的，過程工業(yè)用離心壓縮機(jī)軸向推力測(cè)量的案例與資料非常少。史俊友[20]實(shí)現(xiàn)了對(duì)某大型離心泵軸向推力的測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種用于離心泵軸向推力測(cè)量的彈性測(cè)力結(jié)構(gòu)以避免將止推軸承座作為測(cè)力彈性元件而導(dǎo)致的變形量太小問題。高翼飛[10]詳細(xì)介紹了用于水泵軸向力測(cè)量的測(cè)力彈性元件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟及有限元分析方法，依據(jù)等效應(yīng)變的分布情況，找到了粘貼應(yīng)變片的最佳位置。他采用測(cè)力環(huán)分別安裝在軸承兩側(cè)，同時(shí)與軸承和殼體接觸，且徑向方向不與泵軸接觸，其測(cè)力范圍在0～8kN。吳卿宇[15]利用石英晶體的壓電效應(yīng)，研制了一種應(yīng)用于水泵轉(zhuǎn)子軸向力測(cè)量的壓電式水泵軸向力測(cè)力儀，還設(shè)計(jì)搭建了靜、動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置，對(duì)壓電式水泵軸向力測(cè)力儀進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)標(biāo)定，并裝配于水泵內(nèi)部，進(jìn)行了實(shí)際軸向力測(cè)試試驗(yàn)，此外，還有一些關(guān)于水泵軸向推力的相關(guān)文獻(xiàn)，方法基本都與上述幾種測(cè)量方法相似，在此不再贅述。沈鼓集團(tuán)也曾聯(lián)合大連理工大學(xué)以及沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)相關(guān)科研人員對(duì)某主泵模型軸向推力進(jìn)行了測(cè)量。

吳廣位[17]設(shè)計(jì)了一種用于渦輪增壓器軸向推力測(cè)試的推力板，通過推力板上的電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量軸向推力，并做了標(biāo)定以及溫度修正試驗(yàn)。胡遼平[21]、洪漢池[22-23]等人也用類似的方法采用電阻應(yīng)變片測(cè)量過某渦輪增壓器的軸向推力。何洪[24]直接采用力傳感器測(cè)量了某渦輪增壓器的軸向推力。王維民[25]介紹了一種軸位移故障自愈調(diào)控策略，其中也提及了采用力傳感器直接測(cè)量軸向推力。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)過程工業(yè)用離心壓縮機(jī)軸向推力測(cè)量的研究較少，國(guó)際上此類工作也比較少。而本文的主要工作是對(duì)X1標(biāo)模型級(jí)轉(zhuǎn)子的軸向推力進(jìn)行測(cè)量并同時(shí)測(cè)量葉輪蓋側(cè)、盤側(cè)間隙靜壓。

1 研究對(duì)象

本文以某小流量系數(shù)離心壓縮機(jī)模型級(jí)X1為研究對(duì)象，X1模型級(jí)采用二元閉式葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、彎道、回流器構(gòu)成。表1為X1模型級(jí)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及模型級(jí)試驗(yàn)裝置圖。

表1 X1模型級(jí)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Main structural parameters of the model stage X1

2 測(cè)量方法

2.1 靜壓測(cè)量

葉輪盤、蓋側(cè)間隙靜壓測(cè)量采用壁面開孔取壓方式測(cè)量，在葉輪蓋側(cè)及盤側(cè)間隙壁面（右側(cè)板及葉盤壁面）分別沿徑向均布6～8個(gè)取壓孔，孔徑為1mm，采用金屬毛細(xì)管將靜壓引出機(jī)殼外，再利用膠管引入差壓傳感器。圖1為模型級(jí)試驗(yàn)裝置圖，圖2為壁面靜壓測(cè)孔示意圖。

圖1 X1模型級(jí)試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test rig of the X1 model stage

圖2 X1模型級(jí)靜壓測(cè)孔示意圖Fig.2 Schematic diagram of static pressure measurement of the X1 model stage

這種靜壓測(cè)量方法測(cè)得的靜壓值與真實(shí)值會(huì)略有不同。其原因是當(dāng)壁面開孔后，氣流流過時(shí)會(huì)使流線有一定彎曲。流線沉到孔里產(chǎn)生離心力場(chǎng)并增強(qiáng)了孔的壓力，因而所測(cè)得的壓力值超過氣流真實(shí)壓力，超過的值取決于氣流速度和孔的幾何形狀。在某些情況下，氣流從孔的前緣分離，使得孔內(nèi)的壓力低于氣流壓力。測(cè)壓孔的直徑不應(yīng)低于0.5mm，因?yàn)榭讖竭^小易引起堵塞，而且慣性增大，同時(shí)孔徑也不宜大于1mm，因?yàn)榭讖竭^大時(shí)測(cè)量的不僅僅是靜壓，還有部分速度頭。當(dāng)孔徑從0.15mm增大到1.5mm時(shí)，由速度頭引起的測(cè)量誤差由0增大到1.1%。綜合考慮測(cè)點(diǎn)處的氣流速度，本次試驗(yàn)的靜壓測(cè)量誤差為0.8%。

2.2 推力測(cè)量

采用封裝好的電阻應(yīng)變片式力傳感器來(lái)測(cè)量推力軸承的軸向推力，傳感器構(gòu)造如圖3所示，將傳感器封裝好后直接作為推力軸承瓦塊的支撐（如圖4所示）。這種測(cè)量方法最大優(yōu)點(diǎn)是傳感器封裝好后與止推軸承部件整合于一體，可以不需要對(duì)現(xiàn)有離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動(dòng)，也不需要再增加額外的彈性測(cè)力元件，只需要更換這種帶力傳感器的止推軸承或安裝這種封裝好的力傳感器就可以實(shí)現(xiàn)離心壓縮機(jī)軸向推力的測(cè)量。

圖3 軸向推力傳感器構(gòu)造原理圖Fig.3 Construction of the axial thrust sensor

本次試驗(yàn)選用美國(guó)某企業(yè)生產(chǎn)的推力傳感器，并且自制與其匹配的可傾瓦推力軸承。考慮到推力傳感器需要長(zhǎng)時(shí)間浸泡在潤(rùn)滑油中，因此選用了防油型的推力傳感器。圖4為安裝有力傳感器的推力軸承瓦塊，總共采用4個(gè)力傳感器安裝到推力瓦塊中，圖5為自制的帶有力傳感器的推力軸承，推力軸承分為主推力側(cè)及負(fù)推力側(cè)，分別位于推力盤兩側(cè)，如圖6所示。主推力側(cè)安裝有兩個(gè)力傳感器，負(fù)推力側(cè)同樣也安裝有兩個(gè)力傳感器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DEWE43A以及其自帶數(shù)據(jù)采集分析軟件DEWESoft。軸向推力測(cè)量試驗(yàn)在沈鼓集團(tuán)某模型級(jí)試驗(yàn)臺(tái)位上進(jìn)行，在進(jìn)行模型級(jí)性能試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行壁面靜壓測(cè)量以及軸向推力測(cè)量。

圖4 安裝有力傳感器的推力軸承瓦塊Fig.4 Thrust bearing pad with force sensor

圖5 自制帶有測(cè)力傳感器的推力軸承Fig.5 Thrust bearing with force sensor

圖6 軸向推力測(cè)量裝置示意圖Fig.6 Axial thrust measuring device

對(duì)于這種推力傳感器，每個(gè)傳感器都有各自的性能參數(shù)，即在同樣的校準(zhǔn)載荷下均有各自的電壓信號(hào)與之對(duì)應(yīng)，該固有參數(shù)在DEWESoft中完成設(shè)置以確保其測(cè)量準(zhǔn)確度。此外，在測(cè)量對(duì)象空轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)壓力測(cè)量值進(jìn)行清零操作。本文選用的4個(gè)壓力傳感器電壓信號(hào)參數(shù)以及測(cè)量精確度如表2所示。

表2 壓力傳感器參數(shù)以及測(cè)量精確度Tab.2 Pressure sensor parameters and measurement accuracy

3 測(cè)量結(jié)果

圖7為X1模型級(jí)性能曲線，分別測(cè)量了機(jī)器馬赫數(shù)Mu在0.6，0.7，0.8下的性能，圖7(a)、(b)分別為X1模型級(jí)在不同機(jī)器馬赫數(shù)下的多變效率與能頭系數(shù)的相對(duì)值。在測(cè)量級(jí)性能的同時(shí)對(duì)葉輪蓋側(cè)以及盤側(cè)間隙靜壓和葉輪軸向推力進(jìn)行了測(cè)量。

圖7 X1模型級(jí)性能曲線圖Fig.7 Performance curves of X1 model stage

圖8為X1模型級(jí)蓋側(cè)及盤側(cè)靜壓測(cè)點(diǎn)位置，在X1葉輪蓋側(cè)間隙內(nèi)共布置了7個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)，在無(wú)葉擴(kuò)壓器前隔板上布置了1個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)，在X1葉輪盤側(cè)間隙內(nèi)共布置了6個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)，在無(wú)葉擴(kuò)壓器后隔板上布置了1個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)。

圖8 X1模型級(jí)蓋側(cè)及盤側(cè)靜壓測(cè)點(diǎn)位置Fig.8 Static pressure measuring position at the cover side and disk side of X1 model stage

圖9為X1模型級(jí)蓋側(cè)、盤側(cè)間側(cè)靜壓分布，圖9(a)、(b)、(c)分別對(duì)機(jī)器馬赫數(shù)為0.8，0.7，0.6時(shí)的靜壓測(cè)量值，圖中從左至右依次表示流量由大到小時(shí)的靜壓測(cè)量值。其中縱坐標(biāo)以葉輪出口半徑為參考的相對(duì)值，橫坐標(biāo)為絕對(duì)靜壓值。從圖9可以看出，盤側(cè)間隙與蓋側(cè)間隙靜壓分布沿半徑增大的方向基本呈線性分布，只有半徑最小處即級(jí)間密封附近的靜壓測(cè)點(diǎn)1以及口圈密封處的靜壓測(cè)點(diǎn)8由于受密封泄漏流動(dòng)的影響，測(cè)量時(shí)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象?？傮w來(lái)說，盤側(cè)間隙靜壓值要高于蓋側(cè)間隙靜壓值。

圖10為根據(jù)葉輪盤蓋側(cè)靜壓值測(cè)量結(jié)果判斷的X1模型級(jí)蓋側(cè)、盤側(cè)間隙內(nèi)流動(dòng)方向，從圖9可以看出對(duì)于本次試驗(yàn)，無(wú)論在哪個(gè)工況點(diǎn)，葉輪出口靜壓都高于葉輪進(jìn)口靜壓值，這就意味著葉輪蓋側(cè)間隙內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)橛扇~輪出口向心流向葉輪進(jìn)口口圈密封處(見圖10(a)、(b))。另外，對(duì)于設(shè)計(jì)點(diǎn)及小流量工況，擴(kuò)壓器內(nèi)靜壓測(cè)點(diǎn)測(cè)得的靜壓值明顯要高于葉輪出口靜壓值，那么葉輪級(jí)出口靜壓值也要高于葉輪出口靜壓值，這表明盤側(cè)間隙內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)橛杉?jí)間密封離心流向葉輪出口處(見圖10(a))，對(duì)于阻塞工況，從圖9可以看出擴(kuò)壓器內(nèi)靜壓測(cè)點(diǎn)測(cè)得的靜壓值已略小于葉輪出口靜壓值，那么葉輪級(jí)出口靜壓值也要低于葉輪出口靜壓值，這表明盤側(cè)間隙內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)橛扇~輪出口向心流向級(jí)間密封處(見圖10(b))。值得一提的是，在實(shí)際產(chǎn)品中的末級(jí)，由于有平衡盤存在，盤側(cè)間隙內(nèi)流動(dòng)方向也是由葉輪出口向心流向級(jí)間密封處。

圖9 X1模型級(jí)蓋側(cè)、盤側(cè)間側(cè)靜壓分布(從左至右依次為流量由大到小的變化)圖Fig.9 Static pressure distribution at the cover and disk side of the X1 model stage

圖10 X1模型級(jí)蓋側(cè)、盤側(cè)間隙內(nèi)流動(dòng)方向圖Fig.10 Flow direction in the gap of cover and disk side

圖11為不同機(jī)器馬赫數(shù)時(shí)，X1模型級(jí)軸向推力測(cè)量結(jié)果，其中各工況點(diǎn)推力值為一個(gè)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的平均值。軸向推力隨著機(jī)器馬赫數(shù)的增加而增大，還可以看出主要是推力軸承主推力側(cè)傳感器承受了推力，主推力基本上隨著流量的減小而增大，但到近喘振點(diǎn)時(shí)主推力會(huì)有所減小。此外，推力軸承副推力側(cè)也受到了推力，并且特別是近阻塞工況時(shí)副推力較大，之后隨著流量的減小，副推力數(shù)值基本保持不變且維持在一個(gè)較小的量值上。在近阻塞工況時(shí)，由于壓比較小，葉輪出口靜壓低，轉(zhuǎn)子可能在軸向存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以導(dǎo)致副推力側(cè)也受到了較大的推力。但當(dāng)Mu= 0.6時(shí)，副推力突然明顯增大，這是轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，而壓比又比較小，所以轉(zhuǎn)子的軸向不穩(wěn)定現(xiàn)象更加明顯。

圖11 X1模型級(jí)軸向推力測(cè)量結(jié)果圖Fig.11 Axial thrust measurement results of the X1 model stage

4 結(jié)論

本文以某小流量模型級(jí)X1為研究對(duì)象，測(cè)量了模型級(jí)葉輪蓋側(cè)與盤側(cè)間隙的靜壓分布以及葉輪的軸向推力，得到如下結(jié)論：

1）盤側(cè)間隙與蓋側(cè)間隙靜壓分布沿半徑增大的方向基本呈線性分布，只有半徑最小處即級(jí)間密封附近的靜壓測(cè)點(diǎn)以及口圈密封處的靜壓測(cè)點(diǎn)由于受密封泄漏流動(dòng)的影響，測(cè)量時(shí)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象。盤側(cè)間隙靜壓值要高于蓋側(cè)間隙靜壓值。

2）葉輪軸向推力是靜態(tài)力與動(dòng)態(tài)力的合成，靜態(tài)力是主要成分，動(dòng)態(tài)力也占有較高比例，并且頻率分量是葉輪的工作頻率及其倍頻，動(dòng)態(tài)力也是不能忽略的次要成分。

3）葉輪軸向推力基本上隨著機(jī)器馬赫數(shù)的增加而增大，主推力基本上隨著流量的減小而增大，但到近喘點(diǎn)時(shí)主推力會(huì)有所減小。此外，推力軸承負(fù)推力側(cè)也受到了推力，并且特別是近阻塞工況時(shí)負(fù)推力較大，之后隨著流量的減小，負(fù)推力數(shù)值基本保持不變且維持在一個(gè)較小的量值上。這是因?yàn)榻枞r時(shí)，由于壓比較小，葉輪出口靜壓低，轉(zhuǎn)子可能在軸向存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以導(dǎo)致負(fù)推力側(cè)也受到了較大的推力。葉輪軸向推力存在“陀螺效應(yīng)”，即外部施加給陀螺的力越大，陀螺轉(zhuǎn)速越高，陀螺旋轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定，反之，陀螺就更加不穩(wěn)定。

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Axial Thrust Measurement in a Centrifugal Compressor Model Stage

Jia-jian Tan1Chang-sheng Liu1,2Yu-ying Sun1Long Sha1Wen-chao Guan1
（1.Shenyang Blower Works Group Corporation；2.Schoel of Mechanical Engineering Xi’an Jiaotong University）

The static pressure distributions in the clearance of both the shroud and the hub side of the impeller,together with the impeller axial thrust were measured on a centrifugal compressor stage model with a small flow coefficient.The measurement results show that the static pressure distributions in the clearance of the impeller shroud and hub side are nearly linear increasing with the radial direction.The impeller axial thrust is the combination of the static and the dynamic thrust. While the static thrust is the dominant component,the dynamic thrust,however,is not negligible.The axial thrust of the impeller basically increases with an increasing machine Mach number.The main thrust also increases with a reduction of the flow rate,except for the points near the surge point,where the main thrust decreases.

centrifugal compressor,axial thrust,measurement

TH432；TK05

1006-8155-(2017)04-0068-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0011

2016-11-15 遼寧 沈陽(yáng) 110869