密封间隙中流体激振引起高炉鼓风机振动一例

侯长波，李 杨，陈向英

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）

引言

压缩机是现代冶金企业重要的动力设备之一，尤其是大型轴流压缩机是高炉冶炼不可缺少的关键设备。首钢股份公司三号高炉配置的高炉鼓风机是AV100 全静叶可调轴流压缩机，在一次检修后，出现了轴振动升高的问题，严重影响机组稳定运行，无法正常投入生产。

1 现象描述

首钢股份4#高炉鼓风机AV100-19 专为三号高炉供风，在一次中修后试车，轴振动明显升高。从振动趋势图（图1）可见，振动值随静叶角度增大、出口压力升高而进一步升高，从17 μm 升高到63 μm，而且还有继续升高趋势。

图1 鼓风机振动趋势和转速图

2 问题分析

首钢股份的高炉鼓风机都安装了大型转动设备在线监测诊断系统S8000，从轴心轨迹和频谱图上看，见图2，振动能量集中在1倍频，轴心轨迹呈正进动椭圆形，初步判断是不平衡问题。

图2 轴心轨迹和频谱图

结合本次中修项目考虑，为处理进气侧漏气量大的问题，本次中修更换了进气侧气封片。该气封是高低齿迷宫型密封，主要作用是封住从平衡管引来的高压气体，减少泄漏。更换气封片后虽然漏气量有改善，但手工安装打磨的气封片圆度无法保证配合间隙均匀。由于密封片本身质量很轻，相对于转子来讲可以忽略不计，所以考虑图谱中表现的不平衡并不是简单的质量不平衡，一定是存在外力作用，而且此外力大小和静叶角度及机组出口压力正相关。

从机组结构图可知，与静叶角度及出口压力有关，且又与进气侧气封有关的，只有平衡管中的高压气体。见图3。

图3 压缩机结构图

平衡管的作用是将机组出口的高压气体引入进气侧，高压气体作用在平衡盘上，可以平衡一部分由于气动引起的指向进气侧的轴向推力，用以减轻止推轴承的负荷，延长止推轴承使用寿命。平衡管中的气体压力随着静叶角度增大、出口压力增大而增大，而平衡盘两侧就是本次检修更换的气封。

深入分析平衡盘两侧气封中的气流情况，当气流进入迷宫密封腔时，不仅以很大的轴向速度通过各腔，而且在轴的带动下具有很大的周向速度，所以气流在密封体内是以螺旋的形式向外流动的。由于人工安装打磨的密封齿在迷宫槽内圆周上配合间隙的不一致，造成迷宫密封腔压力沿周向分布不均匀，配合间隙小的部位压力高于配合间隙大的部位，同时考虑Lomakin 效应、Alford效应、二次流效应等，密封腔中的螺旋流动使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间的间隙变化不会正好对应，最高压力点会滞后密封腔最小间隙一定角度[1]，这样气流作用在转子上形成一个合力F，见图4。该合力大小与气流压力有关、与转子转速有关，与配合间隙有关，该合力超过一定值时，将激励转子产生强烈的振动[2]。

图4 密封中气流对转子的作用力

这就与机组检修后试车中表现的情况相对应，当增大静叶角度，增加进气量时，机组出口气压会随之升高，高压气体通过平衡管导入吸入侧的平衡盘，使平衡盘两侧的迷宫密封腔体中的气流升压，造成激振力增大，机组振动增大；而减小静叶角度，机组负荷降低后，振动会随之减小。因为激振力是从密封腔部位作用在转子上的，方向随着转子转动而变化，即转子上多了一个力，从振动频谱图、轴心轨迹图上看，就和转子质量不平衡的表现一致。

3 解决方案

弄清机组振动的真正原因之后，就可以针对性地采取一些措施，可以从以下有几个方面考虑：

（1）重新更换气封，利用大型车床，对气封片进行车削，与手工打磨相比，车床车削后气封尺寸更加精准，配合间隙更均匀，可以有效减小这种激振力，使机组稳定运行。

（2）考虑到公司生产的连续性要求，较长时间的停机检修机会难得，要短时间维持运行可以考虑控制平衡管内的气体压力。在平衡管上加阀门控制内部气体流通是个办法，但这个方法要求对机组正常运行负荷及止推轴承载荷进行核算，在确保不伤害机组和止推轴承的前提下进行，实施起来，控制的难度和风险也较大。

（3）如果有机会能进行技术改造，将原机的高低齿型迷宫密封改造成蜂窝密封，或者只将低齿密封槽改成蜂窝密封，也是解决此问题的较好选择。蜂窝密封的蜂窝状结构可以把泄漏流分割成无数个小涡流，使泄漏流的能量得到充分耗散，起到轴向和周向双向阻尼作用，形成阻碍气体泄漏的有效屏障，实践证明，蜂窝密封能大幅减少泄漏量，一定程度地提高机组效率。

综合考虑采取第一种方案，结合检修重新更换了气封，并进行机械车削，回装后试车，机组振动正常，运行稳定。

4 结论

机组振动是压缩机等是大型转动设备最关注的的参数之一，随着各种在线检测诊断系统的应用，分析振动原因更准确、便捷。分析图谱时要将频谱特征结合实际运行中的参数变化特点、以及结合检修内容综合考虑，理论联系实际，才能准确判断原因，有针对性地解决问题。