離心壓縮機(jī)的振動(dòng)與改進(jìn)

江玉川

（伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆伊寧 835000）

0 引言

石化企業(yè)大型重油的催化裂化裝置應(yīng)用D250-14 型號(hào)的離心式壓縮機(jī)。裝置開(kāi)工以來(lái)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)常由于振動(dòng)異響停機(jī)，影響催化裝置的生產(chǎn)，導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下滑。

1 結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)特征

D250-14 型號(hào)的壓縮機(jī)組成：齒輪單級(jí)增速懸臂式風(fēng)機(jī)，葉輪裝于高速軸上，電機(jī)和齒輪箱低速軸（小齒輪）由柱銷聯(lián)軸器相連，高速軸為三油楔軸承。壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.2 主要參數(shù)

介質(zhì)空氣；軸功率500 kW；額定軸功率514 kW；電機(jī)轉(zhuǎn)速2975 r/min；主軸轉(zhuǎn)速7583 r/min；入口壓390 kPa；出口壓480 kPa；最大入口流量550 Nm3/min；計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速：nc1=7074 r/min；nc2=33270 r/min。

2 機(jī)組故障

2.1 故障的表現(xiàn)

圖1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

壓縮機(jī)組剛運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈異響，管道、箱體振動(dòng)，機(jī)器存在間歇性振動(dòng)。振動(dòng)劇烈時(shí)，機(jī)組、蝸殼、齒輪箱、管線大幅度振動(dòng)，聲音驚人，壓縮機(jī)被迫終止運(yùn)行。手持型測(cè)振儀測(cè)量高速軸承箱體的振動(dòng)，振動(dòng)速度值18 mm/s，振幅120 μm。3月10日，機(jī)組再次強(qiáng)烈振動(dòng)，測(cè)量高速軸的葉輪端軸承座振動(dòng)，水平振動(dòng)的頻譜見(jiàn)圖2。

工頻幅值突出，占通頻幅值的7/10，出現(xiàn)明顯的半頻、二倍頻以及3/2 中間諧波，未發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合頻率。開(kāi)箱檢查，齒輪嚙合面正常，高、低速軸瓦損壞，尤其是高速軸的葉輪端軸瓦。①瓦面存在較大磨損、熔化；②局部分巴氏合金層脫落；③瓦面松動(dòng)、開(kāi)裂。經(jīng)過(guò)大修，壓縮機(jī)第一次試機(jī)，發(fā)出巨大振動(dòng)與吼叫聲，隨即停機(jī)。啟動(dòng)時(shí)記錄的頻譜見(jiàn)圖3。

圖2 高速軸葉輪端水平振動(dòng)頻譜

圖3 高速軸葉輪側(cè)水平振動(dòng)頻譜

振動(dòng)速度的通頻幅值18.17 mm/s，（工 頻127 Hz，17.98 mm/s）是代表性的同頻振動(dòng)?？赡苁艿捷S變彎曲、轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心、角對(duì)中不良、轉(zhuǎn)子不平衡、軸磁化、軸偏心、相鄰振源、機(jī)殼變形因素影響。

2.2 故障分析

大修離心式壓縮機(jī)，更換舊軸瓦，對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡，非葉輪端振動(dòng)速度值0.7 mm/s，葉輪端振動(dòng)速度值1.3 mm/s，均<1.8 mm/s（標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)速度值），可排除由于齒輪偏心嚙合、轉(zhuǎn)子不平衡引發(fā)的同頻振動(dòng)。測(cè)量振動(dòng)發(fā)現(xiàn)速度上升期間，機(jī)組轉(zhuǎn)速升到接近最大轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)明顯增大，以1 倍頻為主，可能是臨界不平衡現(xiàn)象，機(jī)組的運(yùn)行速度接近臨界轉(zhuǎn)速產(chǎn)生強(qiáng)烈異響。

2.2.1 計(jì)算隔離裕度

為抑制壓縮機(jī)的共振，對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速n 脫離了臨界轉(zhuǎn)速ncl理論范圍，即隔離裕度。壓縮機(jī)的隔離裕度計(jì)算見(jiàn)式（1）。

隔離裕度較小。工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以上轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性軸，規(guī)定工作轉(zhuǎn)速n 滿足式（2）。

式（2）為經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要密切關(guān)注。按照廠家要求的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，壓縮機(jī)n/nc1=7583/7074=1.07＜1.3。工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速接近，轉(zhuǎn)子運(yùn)行落于強(qiáng)振區(qū)。轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅頻曲線見(jiàn)圖4。

2.2.2 臨界轉(zhuǎn)速改變的影響

臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子形狀、材料、結(jié)構(gòu)、大小、工作環(huán)境、支承狀況相關(guān)。計(jì)算透平壓縮機(jī)臨界轉(zhuǎn)速近似值時(shí)，假設(shè)支座為絕對(duì)剛性，實(shí)際軸承多為彈性支座，軸承油膜的剛性程度伴隨轉(zhuǎn)速改變。軸承形式、軸瓦間隙、油溫波動(dòng)影響支承及油膜的剛度，還影響到轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，臨界轉(zhuǎn)速具有特定的波動(dòng)范圍，實(shí)際運(yùn)行時(shí)才會(huì)測(cè)出精準(zhǔn)的臨界轉(zhuǎn)速。機(jī)組的機(jī)級(jí)隔離裕度偏小，臨界轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速。

圖4 轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅頻曲線

2.2.3 現(xiàn)象的分析

（1）壓縮機(jī)工作在臨界轉(zhuǎn)速周邊，振動(dòng)很大（高速軸承座振速8 mm/s：低速軸承座振速4 mm/s）。臨界轉(zhuǎn)速微小的波動(dòng)，等于工作轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生共振，軸頸、軸瓦之間強(qiáng)烈碰摩，機(jī)組發(fā)出吼叫。

（2）主振頻率設(shè)置為轉(zhuǎn)速頻率。頻譜圖中的工頻分量最突出，軸瓦、轉(zhuǎn)子間的碰摩存在，并在機(jī)器不斷振動(dòng)時(shí)，軸瓦受損，間隙變大、支承松動(dòng)，易產(chǎn)生中間諧波、倍頻。

（3）風(fēng)機(jī)側(cè)易發(fā)生共振。高速軸的葉輪側(cè)軸瓦兩端分別為配重部分、懸臂葉輪，二者占據(jù)轉(zhuǎn)子總重量的7/10，軸瓦的負(fù)載較大，振動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，振動(dòng)時(shí)受損嚴(yán)重。

3 解決方案

（1）臨界轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若工作轉(zhuǎn)速改變困難，則調(diào)整臨界轉(zhuǎn)速，增大隔離裕度。

按照簡(jiǎn)化后的臨界轉(zhuǎn)速公式（3）：

式中 G——轉(zhuǎn)子重量，kg

D——轉(zhuǎn)子直徑，mm

E——材料彈性模量，MPa

從（3）式可知：臨界轉(zhuǎn)速與軸徑成正比。不能增加轉(zhuǎn)子軸徑，讓臨界轉(zhuǎn)速提升?？梢詼p小軸徑，讓臨界轉(zhuǎn)速下降。在剛度、強(qiáng)度允許的情況下可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算，減少原軸頸（r=100 mm）到（r=80 mm），經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，臨界轉(zhuǎn)速?gòu)脑瓉?lái)的7074 r/min 可以調(diào)節(jié)為6436 r/min，隔離裕度15.1%。該隔離裕度達(dá)到API617 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）優(yōu)化高速軸承結(jié)構(gòu)，更新三油楔軸承為四油楔軸承，增強(qiáng)穩(wěn)定性。軸頸變小，需重新設(shè)計(jì)軸瓦大小，因軸承載荷未發(fā)生變化，當(dāng)軸徑從100 mm 變?yōu)?0 mm 時(shí)，軸承比壓增加，偏心率增大，軸承承載能力增加，提升油膜的穩(wěn)定性。通過(guò)相關(guān)的計(jì)算，3 油楔、4 油楔的軸承數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中K 為油膜剛度系數(shù)，C 為阻尼系數(shù)。

表1 軸承數(shù)據(jù)

4 油楔軸承從剛度、承載能、阻尼方面，優(yōu)于3 油楔軸承。將3 油楔軸承變?yōu)? 油楔軸承可以增強(qiáng)軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性能。

（3）優(yōu)化效果。對(duì)高速軸轉(zhuǎn)子改造，2016年秋季，壓縮機(jī)試車，振幅值全面下降，最大振動(dòng)速度值1.472 mm/s，振幅值121 μm，振動(dòng)頻譜見(jiàn)圖5。負(fù)荷開(kāi)車運(yùn)行良好，開(kāi)、停機(jī)多次未出現(xiàn)異常，至此，壓縮機(jī)振值超標(biāo)等問(wèn)題已經(jīng)得到有效地解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓縮機(jī)強(qiáng)烈異響的原因在于工作轉(zhuǎn)速與1 階臨界轉(zhuǎn)速接近，隔離裕度較小。如果隔離裕度小，臨界轉(zhuǎn)速可能對(duì)機(jī)組的振動(dòng)產(chǎn)生很大影響?？蓽p小軸徑直徑，降低1 階臨界的轉(zhuǎn)速，使隔離裕度增大。將3 油楔軸承改造為4 油楔軸承，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性能。

圖5 改造后的高速軸葉輪側(cè)水平振動(dòng)的頻譜