关于离心压缩机产生气体涡旋引发振动的特性综述

佟永龙，鲁悦，刘云龙

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 离心压缩机隔板空腔结构如何产生气体涡旋

一般结构形式下的离心压缩机由密封、隔板及转子叶轮组成流道，气流通过压缩机入口、第一级叶轮、扩压器、回流器进入到下一级叶轮中，如图1 所示。气体通过每一级的不断压缩，最终气体从出口流出。由于隔板的中分面无空腔，压缩机每级之间都有密封，因此，气体向外泄漏量很微小，在转子高速运行中不会形成气体涡旋。

图1 隔板与叶轮形成的流道及流场

当离心压缩机隔板中分面存在空腔，空腔内的空气随着压缩机转速提升，压力升高形成气体旋涡旋。气体涡旋产生后，压缩机内部无法形成静压状态，而隔板空腔的两端都有密封及压力差，空腔内的气体无法有效排出，低压侧气体会通过密封向空腔内泄漏。隔板空腔内的气体涡旋无高压气体冲击无法打散，随着转速越来越高，气体涡旋也越来越多，最终作用在转子上产生气体激振力作用，如图2 所示。

图2 左半部分为隔板空腔气流流场示意，右半部分为正常流道内气体流场示意

2 气体涡旋产生激振力后对离心压缩机的影响

当离心压缩机受到气体激振力作用后，所表现的主要振动频率特性将由正常的1 倍频变为更小倍数的低频，通常在0.3～0.6 倍。这种低频振动的特性也是气体激振力引发转子振动的主要特征之一，并且以低频簇的形式存在。气体涡旋不断地对转子施加激振力，压缩机表现为振值较高并且持续波动现象，如图3 所示。

图3 气体涡旋引发的振动频率及振动波动趋势

由于机组振动幅值较高，并且存在剧烈波动，压缩存在着振动联锁停车风险。同时，这种低频的气体涡旋对于压缩机的进出气管路也有影响，尤其是隔板空腔所对应的管路会发生振动现象。低频振动情况持续存在，如果得不到改善，叶轮会产生高周疲劳影响。

3 气体涡旋引发离心压缩机振动的特点分析

气体涡旋所引发的振动频率特征与激振、旋转失速十分相像，不通过系统的对比分析，很难区分引发原因。通过对这几类振动原因研究发现，气体涡旋引发振动主要有五大特点：振动频率范围在0.3～0.6 倍频；振动呈现周期性波动，与压力、流量等数据无正相关性；离心压缩机内气旋持续产生，对转子产生气体激振力；离心压缩机内部结构有利于气旋产生；增减流量，改变压力对振动无改善效果。

通过对比以上不同的振动现象，整理出各种振动现象的不同之处，我们可以掌握气体涡旋引发振动对机组造成的影响，从而快速有效地分析问题、解决问题（见表1）。

表1 不同类型振动特征对比

4 隔板空腔引发气体涡旋的优化措施

针对隔板空腔引发的气体涡旋，在实际操作中通过降低转速、增大流量及降低压力等措施，并不能改善。需要通过彻底消除隔板的空腔结构，使空腔内的气体不再随着压缩机的运行而形成涡旋对转子产生气体激振力。因此，隔板空腔结构在离心压缩机的设计上需要尽量避免；如果隔板空腔结构无法避免，可以在隔板空腔位置增加蜂窝密封结构，通过蜂窝密封内部特殊的六角形结构，将气体涡旋打散消除,抑制低频振动振幅。