李津津

(沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

在化肥項目中，合成氨裝置的合成氣壓縮機組和尿素裝置的二氧化碳機組壓力高、壓比大、分子質(zhì)量大，不同程度地影響壓縮機軸向推力，因此，準(zhǔn)確地計算出壓縮機軸向推力對于壓縮機廠家是一個巨大挑戰(zhàn)。機組滿負(fù)荷運行時也印證了這一點，無論進(jìn)口還是國產(chǎn)機組都出現(xiàn)過推力瓦溫過高的情況。壓縮機組一般采用等壓力軸向推力計算法，計算所得的殘余軸向推力為推力軸承許用最大推力的15%左右，但現(xiàn)場運行時推力瓦溫遠(yuǎn)超設(shè)計值。因此，目前急需從多角度來研究分析推力軸承溫升高的原因，并提出解決方案，且在實踐中將之不斷完善。

1 研制內(nèi)容

1.1 計算分析

雖然葉輪進(jìn)口處充滿了葉輪進(jìn)口壓力P1下的氣體，但是由于葉輪的蓋盤和軸盤與隔板間形成的空腔已被出口壓力P2下的氣體充滿，因此每個葉輪都會受到軸向推力的影響。

單級葉輪的推向推力計算公式：

式中，D1為葉輪外圓直徑，dm為葉輪口圈直徑，dj為隔套直徑。

圖1 葉輪軸向受力分布圖

對于超高壓、大壓比的機組，僅僅考慮葉輪的軸向推力，往往與現(xiàn)在機組實際運行情況有差距，大多數(shù)高壓機組現(xiàn)場運行瓦溫較高，因此，須系統(tǒng)地分析影響壓縮機軸向推力的因素。能影響殘余軸向推力的因素有平衡系統(tǒng)和推力軸承，因此，從這兩個方面進(jìn)行系統(tǒng)地分析并加以改進(jìn)。

1.2 平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

壓縮機一次平衡系統(tǒng)是指由平衡盤后腔體(平衡盤密封與軸端密封之間的空間)及連通壓縮機平衡腔與入口的通道組成。一次平衡系統(tǒng)的作用是維持壓縮機平衡盤后壓力與入口壓力一致，保證機組設(shè)計時推力計算所采用的平衡盤后壓力與實際情況接近，避免機組設(shè)計推力與實際運行不符。

為滿足一次平衡系統(tǒng)(見圖2)的功能要求，按機組實際功能可分為兩個區(qū)域：平衡腔區(qū)(紅色區(qū)域)、一次平衡連通區(qū)(綠色區(qū)域)。

圖2 一次平衡系統(tǒng)

平衡腔區(qū)是由平衡盤密封與軸端密封之間形成的空間區(qū)域，其作用是讓經(jīng)過平衡盤密封泄漏的介質(zhì)有充足的緩沖空間，以保證平衡盤密封后壓力穩(wěn)定。

一次平衡連通區(qū)是指連通平衡腔與壓縮機入口的介質(zhì)流通通道，其作用是將平衡腔內(nèi)的介質(zhì)以相對最小的壓力損失排到壓縮機入口，保證平衡腔內(nèi)壓力持續(xù)穩(wěn)定。

1.2.1平衡腔結(jié)構(gòu)要求

為實現(xiàn)平衡腔功能，保證泄漏介質(zhì)有充足的緩沖空間，平衡腔軸向截面積(見圖2中紅色面積)不小于最大平衡氣孔截面積，在結(jié)構(gòu)充裕機組中可盡量加大平衡腔體積。

1.2.3 Transwell實驗 以50 mg/L Matrigel 1∶8稀釋液包被Transwell小室底部膜的上室面，4℃風(fēng)干。將制備好的細(xì)胞懸液200 μL加入Transwell小室，24孔板下室加入500 μL含F(xiàn)BS的培養(yǎng)基。在37℃、5%CO2的孵箱中常規(guī)培養(yǎng)24 h，用棉簽擦去上室內(nèi)的細(xì)胞，4%多聚甲醛固定15 min，清洗、染色后置于倒置顯微鏡下觀察，拍攝和細(xì)胞計數(shù)。

1.2.2一次平衡連通區(qū)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

分析不同平衡管徑及平衡管數(shù)量方案時，平衡腔及平衡管內(nèi)的壓力分布。

圖3所示為壓縮機平衡盤密封及平衡腔子午圖，為評估平衡管內(nèi)徑及數(shù)量對平衡盤兩側(cè)壓力的影響，在保持平衡盤密封及平衡腔結(jié)構(gòu)相同的條件下，分別確定平衡管內(nèi)徑為30 mm，數(shù)量為1根；內(nèi)徑為25 mm，數(shù)量為2根；內(nèi)徑為25 mm，數(shù)量為4根。3種不同方案分別簡稱為方案一、方案二、方案三。

圖 3 平衡盤密封及平衡腔子午視圖

平衡系統(tǒng)計算結(jié)果見表1。由表1可以看出，隨著平衡管通流面積的增加，在平衡盤低壓側(cè)的壁面靜壓逐漸降低，并接近于平衡管出口壓力?？梢娫诂F(xiàn)有方案中增加平衡管通流面積可以提高平衡管泄壓能力，降低平衡盤低壓腔壓強。同時，隨著平衡管通流面積的增加，通過平衡管的氣體泄漏量逐漸增加可知，增加平衡管通流面積將增加壓縮機的內(nèi)泄漏損失。

表1 平衡系統(tǒng)計算結(jié)果

圖4為平衡管入口靜壓分布，可以看出，在平衡管通流面積增加后，作用在平衡盤低壓側(cè)的壓力及平衡管入口的靜壓均逐漸下降。

圖4 平衡管入口靜壓分布

因此，增加平衡管通流面積，提升平衡管的泄壓能力，平衡盤的低壓側(cè)壁面靜壓隨平衡管通流面積的提升而下降，在平衡氣流速為27.85 m/s時，平衡腔壓力基本接近平衡氣管出口壓力。

為實現(xiàn)一次連通區(qū)功能，應(yīng)快速排出泄漏到平衡腔中的介質(zhì)，保證平衡腔壓力穩(wěn)定。為保證平衡腔壓力盡可能接近壓縮機入口壓力，減少管道中的流通損失，一次平衡氣管的流速越小越好，考慮空間限制，若一路平衡管道無法滿足流速要求，可增加多路平衡管道。

1.2.3平衡系統(tǒng)增設(shè)取壓點

為保證和檢測一次平衡系統(tǒng)的正常工作，平衡腔取壓是從端蓋外部連通平衡腔的取壓孔，可實時監(jiān)測平衡腔壓力，監(jiān)控一次平衡系統(tǒng)是否正常工作。

1.2.4平衡氣管增設(shè)調(diào)壓裝置

部分合成氣機組和二氧化碳機組出現(xiàn)副推力瓦溫高的情況，這是由于計算軸向推力為負(fù)值(反向推力)，加上氣動條件、平衡系統(tǒng)、軸承等因素影響，使得機組軸向反向推力增大，導(dǎo)致副推力瓦溫高。

在平衡氣管上設(shè)置閘閥。通過控制閘閥的開度，來影響平衡氣管流速和平衡盤低壓側(cè)壓力，使得平衡盤反向推力變化，然后轉(zhuǎn)子軸向推力發(fā)生變化，從而控制推力軸承的瓦溫。

1.3 軸承改進(jìn)

1.3.1推力軸承瓦塊材質(zhì)的選用

流經(jīng)推力軸承瓦塊表面的油形成對瓦塊的剪切力，并產(chǎn)生熱量，使得這一區(qū)域的瓦溫較其他區(qū)域高。 這樣瓦塊上便出現(xiàn)了熱量梯度，過高的熱量導(dǎo)致了溫度升高，并使負(fù)載能力降低。

碳鋼的熱傳導(dǎo)率為46.7 W/m·K，銅鉻合金的熱傳導(dǎo)率為323.6 W/m·K，銅鉻合金的熱傳導(dǎo)率約為鋼7倍。相比于碳鋼，鉻銅合金具有高的熱傳導(dǎo)性，可以降低熱量梯度。它還可以將 “熱點”的溫度消散，平均分配到瓦塊表面的其他部分。

分別制造26.67 cm(10.5英寸)碳鋼瓦塊和銅鉻合金瓦塊的推力軸承，在不同比壓、不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗，測得40組數(shù)據(jù)，繪制出比壓-轉(zhuǎn)速-溫度兩種推力軸承的曲線(見圖5)。

圖5 10.5英寸推力軸承比壓-轉(zhuǎn)速-溫度曲線注：為碳鋼瓦塊LEG型推力軸承比壓2.07MPa曲線，為碳鋼瓦塊LEG型推力軸承比壓3.45MPa曲線，為銅鉻合金瓦塊LEG型推力軸承比壓2.07MPa曲線，為銅鉻合金瓦塊LEG型推力軸承比壓3.45MPa曲線。

根據(jù)試驗的4組曲線，在比壓2.07MPa、轉(zhuǎn)速相同條件下，銅鉻合金推力軸承比碳鋼推力軸承瓦塊溫度低9～10℃；在比壓3.45MPa、轉(zhuǎn)速相同條件下，銅鉻合金推力軸承比碳鋼推力軸承瓦塊溫度低12～14℃。因此在相同條件下，銅鉻合金推力軸承比碳鋼推力軸承熱傳導(dǎo)更好，瓦塊溫度低10℃左右。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，樣本庫中合成氣和二氧化碳機組采用的推力軸承瓦塊材質(zhì)均為碳鋼。為減小軸向推力不確定的影響，機組換用銅鉻合金瓦塊推力軸承可有效降低瓦溫。

1.3.2推力軸承瓦塊加工工藝改進(jìn)

通過選取6塊推力軸承瓦塊體、安裝銷，使用不同力度沖死銷，通過瓦塊接觸情況，檢查變形情況。檢查后發(fā)現(xiàn)，正常力度沖死后，瓦塊接觸面變形；稍小力度沖死后，瓦塊接觸面情況良好。

因此，沖死的力度很大程度上影響了瓦塊的變形量，還影響了推力軸承的承載力，這是導(dǎo)致機組在推力正常情況下推力瓦溫高的重要原因。

為解決瓦塊變形的問題，調(diào)整瓦塊加工工藝方案。瓦塊體與銷組裝完成后，利用特制夾盤，加工瓦塊工作面，去除瓦塊工作面變形量；裝配推力軸承后，增加推力軸承瓦塊研接觸面積工序、推力軸承厚度測量工序，確保軸承裝配質(zhì)量合格。

2 機組運行驗證

某化肥裝置二氧化碳壓縮機高壓缸首次運轉(zhuǎn)時，壓縮機出口壓力13.347MPa(g)，推力溫度達(dá)到104.5℃，無法繼續(xù)提高負(fù)荷到設(shè)計值；對機組進(jìn)行改造，平衡氣管擴(kuò)大管徑；增加平衡氣管數(shù)量；推力軸承瓦塊材料改為銅鉻合金，并采用新工藝加工瓦塊。采用新結(jié)構(gòu)后，機組第二次開車，出口壓力達(dá)到設(shè)計值15 MPa(g)，推力瓦溫為67.5℃。經(jīng)過機組現(xiàn)場運行驗證，在新結(jié)構(gòu)方案作用下，推力瓦溫降低近40℃，效果顯著。

3 結(jié)語

軸向推力的準(zhǔn)確計算是一個難題，曼透平公司和GE公司分別在2014年、2015年的透平機械展上公布了其軸向推力研究的文章，認(rèn)為精確確定轉(zhuǎn)子軸向推力是一個挑戰(zhàn)。針對高壓機組只考慮等壓力面的軸向推力，不能有效反映真實推力。

該項目所做的葉輪軸向推力的計算則考慮了氣體從葉輪出口向進(jìn)口和從回流流道向葉輪出口的泄漏產(chǎn)生的“二次效應(yīng)”；考慮了葉輪的形式、葉輪的直徑、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪高效點的流量系數(shù)、葉輪工況點、口圈密封及級間密封以及介質(zhì)種類的影響等氣動方面影響；又考慮了平衡管流速、平衡腔面積、推力軸承等結(jié)構(gòu)方面的影響，考慮因素更全面，預(yù)期計算分析精度更高。