Центрифуги | Центробежные компрессоры: принципы создания осевой силы и опасности 

Осевая сила в центробежном компрессоре возникает в основном из-за дисбаланса давления газа по обеим сторонам рабочего колеса. Во время работы компрессора выходное давление рабочего колеса последней ступени выше входного. Эта разница давлений на выходе и входе создает осевую тягу, направленную в сторону низкого давления (всасывающий патрубок). В частности, площадь взаимодействия газа на выходной стороне рабочего колеса и в области отверстия рабочего колеса относительно велика. Умножение этого на разницу давлений газа приводит к результирующей тяге на ротор. Эта результирующая тяга обычно направлена ​​в сторону всасывающего патрубка, т.е. в сторону низкого давления (входная сторона) рабочего колеса, вызывая осевое смещение ротора.

В многоступенчатых компрессорах, если рабочие колеса расположены последовательно, осевые силы, создаваемые каждой ступенью, будут накапливаться, легко приводя к большой суммарной тяге. Однако при использовании расположения рабочих колес «спина к спине» соседние рабочие колеса создают осевые силы в противоположных направлениях, тем самым компенсируя друг друга. Такая компоновка обычно используется в конструкциях многоступенчатых компрессоров. Кроме того, конструкция ротора, расположение уплотнений и зазоры также влияют на величину осевой силы. Например, чрезмерно большие зазоры уплотнений могут привести к увеличению газового байпаса и увеличению осевой нагрузки. Вкратце, осевая нагрузка возникает из-за разницы давлений на рабочем колесе и осевого воздействия движения жидкости на ротор, и ее величина увеличивается с увеличением степени сжатия компрессора.

Опасности осевой силы

Вращающийся на высокой скорости ротор под действием осевой силы, всегда направленной в сторону низкого давления, испытывает значительное осевое смещение. Это осевое смещение может вызвать относительное скольжение между цапфой ротора и упорным подшипником, что приводит к износу или даже царапинам на цапфе или поверхности подшипника. В более серьезных случаях осевое смещение ротора может привести к контакту компонентов ротора, таких как рабочее колесо, с неподвижными компонентами, такими как статорный диффузор и спиральный корпус, что вызывает фрикционные столкновения, ударные повреждения и серьезные механические повреждения.

Кроме того, чрезмерная осевая сила может перегрузить упорный подшипник, что приводит к локальному износу или выгоранию, а также к высокотемпературному разрушению упорного подшипника. В итоге, несбалансированная осевая сила может вызвать ряд неисправностей, включая резонанс ротора, усиление вибрации агрегата, выход из строя уплотнений и перегрузку системы охлаждения, что серьезно угрожает безопасной и стабильной работе компрессора. Поэтому необходимы эффективные меры балансировки, чтобы избежать аварий, таких как трение, износ и столкновения, вызванные чрезмерной осевой силой.

Методы анализа и мониторинга

В промышленных условиях для понимания осевой силы и её воздействия обычно используются приборный мониторинг и аналитические расчеты. Распространенной практикой является установка датчиков осевого перемещения (обычно вихретоковых датчиков) на концах ротора и упорного подшипника для измерения осевого смещения ротора в реальном времени. При увеличении осевой силы ротор будет смещаться в осевом направлении, и датчик осевого перемещения может оперативно обнаружить это изменение смещения и выдать сигнал тревоги.

Одновременно, мониторинг повышения температуры упорного подшипника также является эффективным средством оценки изменений осевой силы: когда осевая сила слишком велика, нагрузка на упорный подшипник увеличивается, что приводит к повышению температуры подшипника. Поэтому мониторинг температуры подшипникового масла и температуры подшипника также является необходимым аналитическим методом. Кроме того, компрессоры часто оснащаются радиальными и осевыми датчиками вибрации, и рабочее состояние оборудования всесторонне анализируется с помощью систем мониторинга вибрации (таких как системы мониторинга, соответствующие стандартам API-670). На рисунке ниже показана конфигурация системы мониторинга центробежного компрессора с подшипником, смазываемым жидкостью, с указанием нескольких датчиков осевого перемещения (ВМП) и датчиков температуры для контроля осевого перемещения, температуры подшипника и т. д. Современные промышленные стандарты (например, API-670) требуют установки как минимум двух датчиков осевого перемещения на центробежных компрессорах с подшипниками, смазываемыми жидкостью.