高速离心压缩机的技术革新

　　该高速离心压缩机组由压缩机、增速箱、电动机、润滑油系统和整体底座等组成，具有结构紧凑、高效、节能、运行可靠及操作维护简单等特点，广泛应用于石油化工等领域。

　　存在问题

　　压缩机的结构进行优化设计前，压缩机内部结构主要由低速齿轮轴、支承轴承、推力轴承和高速齿轮轴、支承轴承、推力轴承和叶轮构成，轴承是压缩机的关键件之一。由于轴承较多，轴承性能的优劣对整个机组能否稳定运行起着至关重要的作用。因此对其轴承进行研究与改进，提高轴承性能很有必要。

　　压缩机在制造厂进行试运转或者在用户进行现场调试时，容易出现高速轴推力端轴承温度偏高现象，其原因一是油冷器效果不好，二是轴承结构限制。由于该高速离心压缩机是单级悬臂结构，转子（高速轴）一般为刚性轴，故其轴向尺寸非常紧张，这使轴承的宽度受到严格限制，对轴承温升有较大影响。此外由于悬臂端轴承距机壳太近，高温机壳的热辐射也使轴承温度升高。

　　高速齿轮轴靠近叶轮侧易漏油；主副推力瓦交替受力，高速齿轮轴推力轴承温度一直偏高，不利于机组安全运行；在进出口压力很高的机组中，推力轴承结构复杂，压缩机带压盘车及起动比较困难。

　　原因分析

　　针对上述存在的三个问题，分析其产生的原因，从而找到解决问题的方法。

　　1.高速齿轮轴靠近叶轮侧易漏油

　　早期设计的离心压缩机中，高速轴轴承为四油叶型，由于压缩机转速高，为避免机组出现振动问题，其转子（高速齿轮轴）一般设计为刚性轴，故其轴向尺寸要求非常严格，为减少轴承跨距和悬臂量，不得不压缩增速箱内部的空间。增速箱油封距轴承端面的距离一般12～15mm，只有正常值的1/3左右，从轴承端面出来的润滑油直接喷在油封上，是造成漏油的主要原因。

　　2.高速齿轮轴推力轴承温度偏高

　　压缩机是轴向进气，因此压缩机的轴向力包括三部分，压缩机叶轮由于压差产生的指向进气方向的轴向力F a1，设为正方向；齿轮啮合产生的轴向分力F a2和叶轮锁紧螺母产生的轴向力F a3，为负方向。

　　当F a1＞F a2＋F a3时，推力轴承主推力面受力处于工作状态；当F a1＜F a2＋F a3时，推力轴承副推力面受力处于工作状态，转子轴向位置处于不稳定状态，容易导致高速齿轮轴推力轴承温度升高。

　　在对部分压缩机的跟踪调查中发现，有的机组高速齿轮轴推力轴承温度达到78～82℃，出现这种情况的原因除上述提到的轴向力方向变化外，另一个主要原因是随着压缩机进气压力和进气温度的不断提高，残余轴向力也在加大，并且推力轴承推力面有效承载区线速度高，轴承温度必会升高，其他如轴承进油不畅、高温机壳的热辐射等，也会使轴承温度升高。

　　3.压缩机带压盘车及起动困难

　　在压缩机的性能参数中，部分机组进气压力高达3.9MPa，排气压力4.27MPa，在此情况下，压缩机的轴端密封一般采用干气密封，干气密封产生一个与F a1方向一致的轴向力F a4，F a4比F a1要大，由于受箱体空间的限制，推力轴承承载面积无法加大，使轴承比压过大，压缩机带压盘车起动困难，若起动压缩机，由于干摩擦易烧毁推力轴承，运行可靠性降低。

　　技术研究与改进

　　压缩机随着流量和压力的增大，结构上也在不断进行改进，其中高速轴轴承的技术研究尤为重要。

　　1.低速齿轮轴轴承

　　低速齿轮轴由于转速低，支承轴承和推力轴承均采用φ85mm圆柱瓦轴承，主副推力面为斜平面结构，由于使用情况良好，除增加测温用的铂热电阻外，没有进行其他大的改动，这里不再详细叙述。

　　2.高速齿轮轴轴承

　　针对高速齿轮轴支承轴承和推力轴承，一是对轴承布置方式进行了改进，二是对轴承结构进行了改进，大大提高了机组整体性能。

　　（1）高速轴轴承结构的改进 前面提到，早期高速轴支承轴承以四油叶轴承为主，有少部分采用椭圆瓦等，转子为刚性轴，为解决漏油、漏气等问题，对转子进行了改进。改进后的转子为柔性轴，原有的支承轴承无法满足要求，新设计的支承轴承为四块可倾瓦块结构，转子的支承与旋转通过四个可倾瓦块来实现。可倾瓦块具有内外圆双偏心的结构特点，在轴承体中的固定采用径向与轴向相结合的方式，根据可倾瓦块的支点位置来确定轴承的旋转方向，四个可倾瓦块在性能上各向同性，因此轴承在所有方向上性能一致，可倾瓦块之间可以互换。该轴承具有抗油膜振荡，承载能力大，高速稳定性好，摩擦功耗小等优点，可完全满足改进后转子的稳定运转要求。高速轴推力轴承为斜平面结构，由于承载能力小，无法承受压缩机进气压力提高后产生的轴向力，因此将主推力面改进为可自动调心的活支瓦块结构。

　　经过上述轴承的改进后，由于轴向距离的加大，加之对气封、油封结构的改进，机组的漏气、漏油等问题基本得到解决，高速轴推力轴承温度有所降低，达到了预期效果。

　　（2）机组推力轴承布置方式改进 经过上述轴承结构的改进后，压缩机的整体性能较老结构有很大的提高，但还存在以下问题：高速轴推力轴承结构复杂，制造、安装不便，增加了产品成本，由于受增速箱空间和推力轴承结构的限制，当残余轴向力很大时（如进气压力高或采用干气密封时），推力轴承设计困难，使机组运行可靠性降低；推力轴承温度时有超标现象发生，不利于机组稳定运行；压缩机带压盘车及启动比较困难的问题依然存在，给用户带来不便。

　　因此，从降低产品成本，增加产品竞争力，方便用户维护维修，减少轴承备品备件，进一步提高机组运行可靠性等方面考虑，还应对压缩机的结构进行优化设计，全面彻底地解决所存在的问题。

　　压缩机的结构进行优化设计后，压缩机转子由高速齿轮轴、支承轴承、叶轮构成，不再设置推力轴承，在高速齿轮的两端增加推力盘，压缩机产生的残余轴向力通过高速齿轮两端的推力盘传递到低速齿轮轴的推力轴承上，当残余轴向力较小时，推力轴承采用斜平面结构，与支承轴承设计为一体，布置在低速齿轮轴上；当残余轴向力很大时，推力轴承采用活支瓦结构，可布置在低速轴的非传动端。

　　另外，优化设计后，增速箱油封距轴承端面的距离增加到35mm，有效解决了漏油问题。经过压缩机轴承结构改进和机组轴承布置方式优化设计后，上述存在的几个问题彻底得到了解决。

　　结语

　　单级悬臂高速离心压缩机由于体积小、紧凑、高效、节能等优点，市场前景广阔，但用户的要求越来越苛刻，由于上述问题的存在，影响了其产品的整机质量。

　　经过轴承结构改进和机组轴承布置方式优化设计后的压缩机，已有数十台产品在用户中应用，实践证明，与高速轴设置推力轴承的结构相比，它有以下优点：

        （1）机组的运行更加稳定、安全、可靠 推力轴承结构简单，摩擦功耗降低，压缩机机械效率提高，推力轴承有效承载区线速度降低，温度下降。因转速较低，当轴向力很大时，可采用大一点的推力轴承来提高承载能力，降低压缩机制造成本，制造周期缩短、润滑油耗油量减少，用户运行费用降低，漏油问题解决。用户维修维护简单方便，工作量小，周期缩短；用户轴承备品备件数量减少，用户运行费用降低、高速轴推力轴承温度高的问题不复存在。

　　（2）由于线速度低，位置不受限制，可用增加承载面积和降低轴承比压等措施，解决压缩机带压盘车起动困难问题。

　　（3）在保持压缩机原有特点的前提下，克服了推力轴承副推力温度高、安装不便、振动、漏油等现象，使机组的使用及维护更为方便，有效提高了压缩机的整机质量，使产品更具市场竞争力。