王红柱，陈拥军

（湖北三宁化工股份有限公司，湖北枝江 443200）

1 离心式压缩机的基本原理、结构和性能

1.1 离心式压缩机的基本原理及优点

1.1.1 离心压缩机的基本原理

离心式压缩机的工作原理:当叶轮高速旋转时，离心力通过叶轮出口接收叶轮扩散器，提高压力能和运动能。当气体进入扩散器时，运动能产生的压力能进一步转化静压能，再通过弯道、回流器流入下一级叶轮进行压缩升压，直至气体压力满足工艺要求，离心压缩机内气体流动复杂，热力学和动力学参数（如压力、温度、体积比、内能动力学等）根据不同的通道而变化，同一区域内点之间的参数差异也不同。在绝对坐标平面上，由于旋转叶轮的气流，占据空间的任何点的参数都会周期性变化。

1.1.2 离心压缩机的优点

1.1.2.1 大流量

目前，离心式压缩机的最高流量容积能够达到36万 m3/h，满足了石化设备在大负荷下发展需要。

1.1.2.2 速度快，能源综合利用

离心式压缩机的转速通常是5 000～20 000r/min，适用于各种工业型汽轮机。它不仅极大简化了往复式活塞压缩机的设计和结构，而且节约了资金，实现了压缩机的自动变速和调节。

1.1.2.3 结构紧凑，占地面积小

与相同流量的活塞式压缩机相比，该装置的重量和占地面积要小得多。

1.1.2.4 运行可靠，排气均匀，气体不受油污染

正常情况下，设备可连续稳定运行2～3a。

1.2 离心式压缩机的基本结构

离心式压缩机的主体结构分为定子和转子。定子的主要部件包括主轴、叶轮、扩压器、蜗室、壳体、隔板、密封件、支撑轴承和叶轮之间的密封圈（如止推轴承、背环等）。

2 离心压缩机典型故障特征

2.1 离心压缩机常见振动故障分析

离心式压缩机是许多大型化工公司的特护设备，其地位十分重要，若运行不稳定往往造成巨大的经济损失。离心压缩机的振动问题是最常见的问题。引起振动的因素很多，最重要的是找到各种振动的动力学和规律。如果设备有振动波动，可以立即找到原因并制定防范措施。

2.2 转子的不平衡

造成转子不平衡的原因主要是转子质量不均或制造安装误差等，转子若有不平衡，旋转后会产生惯性离心力或惯性力偶距，这样对轴承产生动压力，从而在轴承中引起附加摩擦力与附加内应力，致使轴承磨损加剧，并使零件的强度降低，寿命缩短，同时会产生有害的震动。

2.2.1 转子不平衡特性

（1）在转子半径测量的频谱中，速度频率分量具有凸峰。

（2）由于高频时的谐波值非常低，因此它是时域波形中反射的正弦波。

（3）转子两端的振动值不对等。

（4）在频谱中，谐波能量集中在基频上。

（5）当旋转频率小于固有频率时，振幅随着旋转次数的增加而增大。在固有频率之后，当旋转频率增加时，振幅在转速变小且稳定值接近固有频率时出现最大峰值。

（6）转子的轴是椭圆形的。

（7）振动速度对转速的变化很敏感。

2.2.2 转子不平衡的原因

2.2.2.1 设计问题

（1）旋转体的几何设计是不对称的，重心不在旋转轴上。

（2）转子内外均存在未加工表面，质量分布变得不均匀。

（3）零件在转轴上的安装表面粗糙，配合公差不足，产生径向或轴向振动。内部部件的松动时，转子内孔高速膨胀，产生偏移。

（4）轴上的匹配键安装在键槽中，形成局部金属空位。

2.2.2.2 材料缺陷

（1）铸件有气孔，材料内部结构不均匀，材料厚度不均匀，如焊接结构。

（2）材料差，发生磨损和变形，质量分布变得不均匀。

2.2.2.3 加工和装配误差

（1）焊接和铸造缺陷的建模。

（2）切割时的切割误差。

（3）装配中叶轮装配误差的累积导致重心偏移，并安装在每个高速转子上，叶轮需要动态平衡。

（4）材料热处理不能满足要求或消除残余应力，在加工和焊接过程中发生变形。

2.3 油膜振荡

油膜振动是高速滑动轴承的一种特殊缺陷。它是由油膜力引起的固有振动。当油膜振动发生时，输入能量过大，会对转子轴承系统和整个设备造成损坏。因此，需要深刻认识并有效预防。

油膜振动发生后，转速继续增加，振动减弱，振动频率基本不随转速的增加而增加。轴承油膜的初始失稳与转子载荷、临界转速和轴承相对偏移有关。

当转速达到第一临界转速时，转子具有较大的共振振幅，然后振幅减小。当转速达到第一临界转速的两倍时，油膜开始振动。

由于旋转轴直径的大偏心，转子速度慢，稳定，半速旋转不会发生。即使达到初始临界速度的两倍，也不会有太大的振动。如果转速超过临界转速并达到一定转速，则会发生油膜振动。

2.4 离心式压缩机的旋转失效与喘振

2.4.1 离心式压缩机的旋转失效

旋转失速机理：当离心式压缩机的工况发生变化时，通过压缩机的气流在一定程度上改变了流入叶轮或扩散器的气流方向，气流影响叶轮的工作面，在叶轮的加工表面上会出现大量的气流漩涡。漩涡变大，通道面积变得越来越小。如果两个通道中有更多涡流，多余的气体进入一个或多个叶片通道。流入叶片通道的气体影响工作表面，增加涡流，阻止通道的有效流动面积，并导致工艺气流入通道引导的其他通道。通过这种发展，由涡旋组成的气团向后传播和振荡。

2.4.2 喘振

喘振是陡失速的进一步发展。当气体量进一步减少时，大容量管道中的压力不会立即下降，管网中的气体会返回压缩机。当管道压力低于压缩机出口压力时，气体回流停止，压缩机恢复到原始压力，整个通道出现涡流区。因此，装置存在压力和流量的周期性脉动、低频旋转和强烈振动。振动的振幅和频率与管网的体积密切相关。管网容量越大，喘振频率越低，振幅越大。

喘振产生的原因：

（1）压缩机转速降低，但出口压力不下降。

（2）管道压力增加。

（3）压缩机的流速降低。

（4）压缩工艺气体进口温度高。

（5）工艺气体成分发生变化，分子量降低。

（6）压缩机进口压力降低或进口管网阻力增大。根据这些条件，性能曲线降低，工作点落在喘振振动线上，导致机组喘振。

2.5 转子与气封间的摩擦

为了提高离心式压缩机的效率，通常会减小隔板间隙和口环间隙，以减少气体泄漏。然而，除了流体动力激励外，转子和气封之间的小间隙通常是摩擦。转子与气封之间的两种摩擦是转子旋转过程中转子与气封的局部碰撞。

2.5.1 局部磨损特性

当发生局部摩擦时，接触力与旋转体的运动之间存在非线性关系，导致高次谐波振动。局部摩擦是一种非对称非线性振动。在大多数情况下，速度频率的1/2会发生，转速是旋转体的固有频率，共振发生在两倍波数以上。

2.5.2 周围摩擦力的特性

较大的圆周摩擦力或整体圆周摩擦力将导致较大的摩擦运动。当旋转体存在大面积摩擦时，波形会出现波纹撕裂现象。如果在正方向上，从振动变为反向振动，则表明旋转体具有完全摩擦。

3 离心式压缩机振动故障的处理对策

3.1 解决振动类故障的方法

作为消除振动干扰的另一种方法，当设备在达到临界速度的过程中发生振动时，可以通过调整和改变临界速度来消除过度振动。在解决喘振现象的方法中，可以将离心式压缩机设置在喘振范围之外。当能够保护喘振压缩机的转子和定子的同心度超过标准和过度振动，并且能够将转子和定子的均匀性调整到标准时，可以通过求解转子和定子的同心度来确定离心压缩机，解决转子与定子之间振动过大的问题。

3.2 避免气流激振力对转子系统的影响

（1）检查压缩机主轴。如果主轴正常，检查离心式压缩机的叶轮。如果被测叶轮上黏有异物或缺陷，则可能导致离心压缩机过度振动。面对这种现象，离心式压缩机的离心振动可以去除、清洗和安装。请注意，如果在此过程中某些零件损坏，则必须及时更换。

（2）旋转体的两侧都是密封的，它们之间有压差。当气流通过闭合的高压进入低压时，当高速气流通过该过程时，旋转体产生外部激励，旋转体系统产生激励。离心式压缩机转子系统旋转期间，密封间隙的工艺气间隙在转子旋转方向之前旋转，当气流与旋转前的转子转速一致时，产生冲击力，冲击力用于转子系统。在这种情况下，在密封的两侧增加了工艺气搅拌器的结构，以避免增加旋转失效运动。

（3）及时更换离心压缩叶轮材料。普通离心式压缩机有叶轮变形、叶轮损坏、压缩机气封损坏、转子摩擦大，在快速运行过程中容易氧化和腐蚀，可以用特殊材料代替合金材料，以避免因氧化或腐蚀造成的叶轮损坏或变形而导致压缩机振动。

（4）用波纹管换热器代替普通列管冷却管。在离心式压缩机中，波纹管换热器增加了换热器的换热面积和减小水的用量，提高了设备的换热效果。此外，该设备的使用可以避免因大量工艺气流量而导致的快速冷却不足，它可以减少因工艺气管道的外力自由膨胀而引起的振动。

（5）及时清理机组叶轮和隔板处结疤。在高速运动的过程中，离心式压缩机很容易在叶轮上和隔板上产生异物，影响到设备的进气，破坏了转子的平衡，不仅会对大量工艺气物料造成浪费，而且也极大降低了压缩机设备的性能和使用寿命。因此，可以考虑通过在压缩机的一段进气设置旋转分离器，利用装置本身的离心力来去除工艺气的杂质。由于叶轮高速运动，叶轮很容易被杂质损坏，因此有必要将提前置于分离器，以确保工艺气无杂质并均匀地进入。

（6）提升机组检修质量。此项维护工作不但工作任务重，而且维护时间有限，维护的精度也要求很高，因此需要成立一个专门负责维护的人员和管理团队。

为了改善和提高设备维护的质量，在设备中安装了实时监控运行状态的检查系统。在进行工厂振动故障诊断和处理过程中，确认了零部件装配的准确性和精密度，并保留了所有数据以满足制造商的各种技术需要和规则，消除了一些非标准的人为因素。

许多设备的故障和症状并不是完全相应，同时也存在许多设备的故障。为了有效地解决问题，机组工程师们必须有详细而全面地了解，必须准确地掌握振动的知识和原理。

4 结束语

有必要预防离心压缩机的振动，充分重视预防，维护好离心压缩机，并有效提高离心式压缩机的运行质量周期。