CN202157993U - 设有阻尼密封的离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种设有阻尼密封的离心压缩机，在平衡盘处和叶轮口环处采用阻尼密封，所述阻尼密封采用铝与铝合金材料或者铜与铜合金材料整体加工成型，该阻尼密封的内表面上设有若干正六边形沉孔；所述阻尼密封的一侧周向上设有若干个齿，且该阻尼密封的内表面为锥面，阻尼密封的高压侧的间隙大于阻尼密封低压侧的间隙。采用这种密封的离心式压缩机，其密封间隙内的流体周向速度比采用一般迷宫密封的压缩机低，可以有效的降低密封内的流体对压缩机转子的扰动，给转子系统输入较高的阻尼，提高压缩机的稳定性。

Description

设有阻尼密封的离心压缩机

技术领域

本实用新型涉及一种离心压缩机，尤其是一种设有阻尼密封的离心压缩机。 

背景技术

目前转子失稳通常是指当转速达到一定值后处于临界状态，这时如果遇到微小的扰动，就有可能使得转子振动突然加剧，引起跳车的一种故障。自上个世纪60年代以来，随着离心压缩机的功率及转速的升高，一些在低速、小功率下表现较弱的问题逐渐变得越来越突出，其中稳定性问题显的尤为显著。在最近的几十年来，虽然工程界和科技界都对压缩机的稳定性给予了高度的关注，但是压缩机失稳的案例还是时有发生。这种故障时一种比较顽固的故障，一旦出现就需要对机组做大的改造。 

在目前的工程应用中，对于解决失稳问题通常有两个技术难点，其一是在运行中或者通过一次跳车的数据能够准确的诊断预测出故障的类型以及原因。同样的振动突然增大现象有可能是由于动静部件之间的碰磨、转子上某些部件的脱落、转子的失稳等。如何从这些现象中及早的判断出原因对于最大程度的降低故障带来的损失是非常有必要的。第二个技术难点是如何制定相应的解决方案，以节约时间的方式解决失稳问题。失稳可能是由于轴承引起的，或者通过仅修改轴承的结构就可以解决问题，或者有必要修改转子上的迷宫密封的结构等。通过开发一种判别技术，能够准确的对修改方案进行评定，从事实现故障快速消除的目的。 

在这种故障的处理上，虽然世界上各个压缩机厂商都曾经做出过努力，例如美国最大的压缩机公司Dresser-Rand在平衡盘上采用圆孔式阻尼密封、日本三菱在推力盘外侧增加阻尼环、Elliot公司宣称通过增大转子的轴径来提高转子的稳定性。 

关于失稳故障，从力学机理上讲就是转子系统内部出现了负阻尼。通常在振动中的阻尼为正的，即随着振动过程的持续，阻尼的作用是耗散能量，这样振动会越来越小。而负阻尼意味着这种阻尼给转子注入能量，振动会随着时间的延长而不断加剧。在离心压缩机运行过程中，同时存在正阻尼和负阻尼。在较低的转速下，转子正阻尼占主导，因此转子表现的比较稳定。而随着转速的升高和功率的加大，正负阻尼几乎相互抵消，此时的转子系统处于临界状态。当转速再次升高，负阻尼超过正阻尼而占主导地位，当出现小扰动时，振动不再回到原来的位置，而成为发散装，这样振动在短时间内急剧增大，便产生了转子的失稳。 

转子的稳定性问题近年来越来越受到广大压缩机制造厂商和压缩机用户的关注。对失 稳故障的诊断目前是仅仅从振动的频谱和振动的趋势分析加以判别的。从振动特征上来讲，失稳振动的频谱为0.4～0.5倍频成分占主导。而从振动趋势分析来讲，这种故障是随着三个工况参数变化的：1)压缩机转速；转速升高，压缩机有可能发生失稳；2)压比；压比升高，压缩机容易失稳；3)气体组分；气体密度增大，压缩机有可能失稳。那么从故障诊断的角度讲，如果压缩机故障前振动的低频分量很小，而由于上述三个工况参数的变化导致的低频分量的突然增大，这种故障就很可能是转子的失稳故障。遗憾的是，目前的故障诊断系统，是把机械参数和工况参数分开的，即只考虑了振动参数，而没有考虑工况参数。在做报警值设定时，很少将工艺参数同振动参数综合起来考虑，从而往往由于工艺参数的波动而导致故障。 

近几十年来，针对失稳问题的众多解决方案就是针对上述对失稳机理的认识，从三个方面展开。一是提高正阻尼；而是降低负阻尼、三是提高失稳的临界。在这三种方法的基础上，还诞生出他们两两相组合的方法。 

对于第一种方法有代表性的技术是采用挤压油膜阻尼器和阻尼环。一种在可倾瓦止推轴承外面串联一个挤压油膜阻尼器的结构，在转子运转过程中，由于振动而使得转子持续反复的挤压结构，使得这些结构之间小间隙内的流体流入和流出，此时由于流体的粘性而耗散能量。通过这种方式，向转子内引入了阻尼。但是这种方案适合在设计阶段采用。对于一个已经制造好的机组，如果采用这种技术，就需要增加轴承座的尺寸。这些改动在现场实施是很有难度的。对于有些高压的压缩机来说，已经预计到转子在运转过程中将会发生失稳，因此多采用这种技术。例如高速的航空发动机。 

另一种提高转子正阻尼的方式，即采用阻尼轴承，这也是最早开始的解决转子稳定性的办法。最早的压缩机采用圆柱瓦，后来发现该形式的轴承由于转子和轴承之间的间隙内润滑油存在过大的周向速度，该速度将会使得转子交叉刚度和阻尼增大而主阻尼降低。后来采用刮瓦的形式制造了椭圆瓦，以及在此基础上开发的错口瓦、三油楔瓦，直到今天的可倾瓦。基于轴承摩擦与润滑的机理，近年来还开发出多种用以提高转子稳定性的轴承，例如Bently公司提出的动静压结合轴承，根据他们公司的宣传材料，这种轴承能够从根本上解决转子的失稳问题，但是到目前为止还没有工业应用的案例。 

第二种目前可以用于提高转子稳定性的方法就是努力的降低转子系统中的负阻尼。转子系统的负阻尼主要来源于轴承(在采用可倾瓦轴承后，这种情况已经基本消除)、密封及叶轮。其根源是旋转部件同静止部件之间的小间隙内存在流体的周向流动。这种流体的周向流动，使得其周围的压力不均匀分布，从而产生了交叉刚度。当交叉刚度产生的力超过了阻尼力的时候，这种刚度就会导致转子失稳。 

除此之外的第二种解决方案就是提高失稳的临界。通常的做法是增大转子的直径，或者减小转子的跨距。因为理论研究结果表明，失稳振动只有当转速超过二倍的一阶临界时才会发生，只要提高一阶临界转速，就可以提高失稳转速。但是通常增大转子的直径要么会使得压缩机的造价更加昂贵，要么是以牺牲压缩机的效率为代价。减小跨距虽然可以提高失稳转速，但是这个要受到很多约束，因此还是非常有局限性。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种尽量降低密封间隙内的流体的轴向速度，可以使压缩机的稳定性显著提高的设有阻尼密封的离心压缩机。 

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案： 

一种设有阻尼密封的离心压缩机，包括壳体，以及设置于壳体内转子中间的平衡盘和离心叶轮，所述平衡盘与离心压缩机壳体之间的间隙处或者离心叶轮口环与隔板的间隙处分别采用阻尼密封，所述阻尼密封安装在静子(为压缩机运转过程中静止不动部分)上，在平衡盘和离心叶轮口环上均设有迷宫密封齿。 

所述阻尼密封采用铝与铝合金材料或者铜与铜合金材料整体加工成型，该阻尼密封的内表面上设有若干正六边形沉孔；所述阻尼密封的一侧周向上设有若干个齿，且该阻尼密封的内表面为锥面，阻尼密封的高压侧的间隙大于阻尼密封低压侧的间隙。 

所述正六边形孔的边长在0.8～3毫米之间，正六边形孔的深度在3～5毫米之间，每两个相邻正六边形孔之间的筋板的厚度在0.1～0.4毫米之间。 

所述齿的数目为40～60个，齿的长度在5～15毫米之间。 

所述锥面的锥度小于1度。 

所述阻尼密封的间隙为0.1～0.35毫米。 

在本实用新型中所提出的阻尼密封，不同于现有的蜂窝密封，本实用新型中密封采用的是铜或者铝，密封的材料强度和硬度远远小于平衡盘和离心叶轮口环的材料，在转子运行过程中，如果发生平衡盘或者离心叶轮口环同密封相碰摩的情况，那么密封会被首先磨损，而不损伤转子。因此，密封的间隙可以设计得比现有的蜂窝密封的间隙更小。现有的蜂窝密封需要将蜂窝带和密封体焊接起来，这样会带来较大的焊接残余应力，这种应力的释放，会使得密封变形，从而导致原先圆形的密封变成椭圆形，致密封间隙周向不均匀，而本实用新型中的密封由于采用了整体冷加工成型，消除了焊接残余应力。 

本实用新型中，在阻尼密封内表面开沉孔是为了增大流体流经内表面时，受到更大的摩擦阻力。采用六角形孔是为了在保证强度的同时，最大限度的增大开孔区 域的面积。六边形沉孔的边长过大会导致它所产生的摩擦阻尼过小，六边形沉孔的边长过小会导致它的加工成本过高，因此取本实用新型中的技术参数范围。齿起流体导向作用，即尽可能使得进入密封的流体为轴向流动。齿越长，导流效果就越好。但是齿长过长会没有空间，太短会没有导流效果，本实用新型中的齿参数相对比较合理。齿的轴向数目的选取，也是为了保证导流效果。锥面是为了保证密封在受压变形后，能保证密封间隙在轴线方向上仍能保证均匀。间隙的参数选取是为了保证密封效果，太小的密封间隙，太容易导致密封同平衡盘或者离心叶轮口环发生碰摩，密封间隙过大，会达不到密封的效果，固取本实用新型中的间隙范围。 

理论上来将，筋板的厚度要尽可能的薄，这样密封效果会更好。但是过薄的筋板将会降低其耐压能力，过厚的筋板会大大的降低它的密封效果。因此，本实用新型中根据密封的压力的不同，取0.1～0.4毫米的厚度。 

当气体从高压侧经过平衡盘和壳体之间的间隙以及流过叶轮口环和隔板之间的间隙时，由于转子和叶轮的旋转，间隙内的流体将会产生一定的周向速度，这种轴向速度越大，对离心压缩机转子的稳定性的影响就会越大。本实用新型的目的就是尽量降低密封间隙内的流体的轴向速度。 

本实用新型与现有的压缩机中采用的蜂窝密封有相似之处，但是蜂窝密封是采用焊接成型的，这种成型方式会带来很大的焊接残余应力，在将密封环切开后，由于应力的释放，会导致密封环的大变形；另一方面，蜂窝密封是用哈氏合金制造的，比较硬，如果和转子发生碰摩，将会损伤转子。纵上两方面的因素，蜂窝密封的间隙都相对的较大。 

然而，本实用新型中的阻尼密封采用整体冷加工的有色金属软材料密封，解决了以上存在的难题，可以使得压缩机的稳定性显著的提高。 

采用这种密封的离心式压缩机，其密封间隙内的流体周向速度比采用一般迷宫密封的压缩机低，可以有效的降低密封内的流体对压缩机转子的扰动，给转子系统输入较高的阻尼，提高压缩机的稳定性。 

附图说明

图1为现有的背靠背型的离心压缩机平衡盘及其密封结构示意图； 

图2为本实用新型中的平衡盘处的阻尼汽封的示意图和局部放大图； 

其中，1-离心压缩机转子；2-第一定距套；3-离心叶轮；4-阻尼密封；6-第二定距套；7-平衡盘，8.正六边形沉孔，9.齿。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

如图1所示，一种设有阻尼密封的离心压缩机，其包括离心压缩机转子1、第一定距套2、离心叶轮3、隔板及平衡盘阻尼密封4、第二定距套6、平衡盘7。平衡盘7位于离心压缩机转子1的中间，在平衡盘7和压缩机壳体之间的间隙处或者离心叶轮3的口环与压缩机隔板的间隙处分别采用阻尼密封4，所述阻尼密封4安装在静子(为压缩机运转过程中静止不动部分)上。在平衡盘7上，可以装有迷宫密封齿，也可以是平滑的。在本实用新型中，如图2所示，阻尼密封采用有色金属整体加工成型的，其目的是增强转子系统的稳定性。 

所述阻尼密封4采用铝与铝合金材料或者铜与铜合金材料整体加工成型，该阻尼密封4的内表面上设有若干正六边形沉孔8；所述阻尼密封4的一侧周向上设有若干个齿9，且该阻尼密封4的内表面为锥面，阻尼密封4的高压侧的间隙大于阻尼密封低压侧的间隙。 

所述正六边形孔8的边长在0.8～3毫米之间，孔的深度在3～5毫米之间，每两个相邻正六边形孔8之间的筋板的厚度在0.1～0.4毫米之间。 

所述齿9的数目为40～60个，齿9的长度在5～15毫米之间。 

所述锥面的锥度小于1度。 

所述阻尼密封4的间隙为0.1～0.35毫米。 

在本实用新型中所提出的阻尼密封4，不同于现有的蜂窝密封，本实用新型中密封4采用的是铜或者铝，密封的材料强度和硬度远远小于平衡盘和离心叶轮口环的材料，在转子运行过程中，如果发生平衡盘7或者离心叶轮3的口环同密封相碰摩的情况，那么密封会被首先磨损，而不损伤转子。因此，密封的间隙可以设计得比现有的蜂窝密封的间隙更小。现有的蜂窝密封需要将蜂窝带和密封体焊接起来，这样会带来较大的焊接残余应力，这种应力的释放，会使得密封变形，从而导致原先圆形的密封变成椭圆形，致密封间隙周向不均匀，而本实用新型中的密封由于采用了整体冷加工成型，消除了焊接残余应力。 

本实用新型中，在阻尼密封4内表面开沉孔是为了增大流体流经内表面时，受到更大的摩擦阻力。采用六角形沉孔8是为了在保证强度的同时，最大限度的增大开孔区域的面积。六边形沉孔的边长过大会导致它所产生的摩擦阻尼过小，六边形沉孔8的边长过小会导致它的加工成本过高，因此取本实用新型中的技术参数范围。齿9起流体导向作用，即尽可能使得进入密封的流体为轴向流动。齿越长，导流效果就越好。但是齿9长过长会没有空间，太短会没有导流效果，本实用新型中的齿参数相对比较合理。齿9的轴向数目的选取，也是为了保证导流效果。锥面是为了 保证密封在受压变形后，能保证密封间隙在轴线方向上仍能保证均匀。间隙的参数选取是为了保证密封效果，太小的密封间隙，太容易导致密封同平衡盘或者离心叶轮口环发生碰摩，密封间隙过大，会达不到密封的效果，固取本实用新型中的间隙范围。 

理论上来将，筋板的厚度要尽可能的薄，这样密封效果会更好。但是过薄的筋板将会降低其耐压能力，过厚的筋板会大大的降低它的密封效果。因此，本实用新型中根据密封的压力的不同，取0.1～0.4毫米的厚度。 

Claims (6)

1.一种设有阻尼密封的离心压缩机，包括壳体，以及设置于壳体内转子中间的平衡盘和离心叶轮，其特征在于：所述平衡盘与离心压缩机壳体之间的间隙处或者离心叶轮口环与隔板的间隙处分别采用阻尼密封，所述阻尼密封安装在静子上，在平衡盘和离心叶轮口环上均设有迷宫密封齿。

2.根据权利要求1所述的设有阻尼密封的离心压缩机，其特征在于：所述阻尼密封采用铝与铝合金材料或者铜与铜合金材料整体加工成型，该阻尼密封的内表面上设有若干正六边形沉孔；所述阻尼密封的一侧周向上设有若干个齿，且该阻尼密封的内表面为锥面，阻尼密封的高压侧的间隙大于阻尼密封低压侧的间隙。

3.根据权利要求2所述的设有阻尼密封的离心压缩机，其特征在于：所述正六边形孔的边长在0.8～3毫米之间，正六边形孔的深度在3～5毫米之间，每两个相邻正六边形孔之间的筋板的厚度在0.1～0.4毫米之间。

4.根据权利要求2所述的设有阻尼密封的离心压缩机，其特征在于：所述齿的数目为40～60个，齿的长度在5～15毫米之间。

5.根据权利要求2所述的设有阻尼密封的离心压缩机，其特征在于：所述锥面的锥度小于1度。

6.根据权利要求2所述的设有阻尼密封的离心压缩机，其特征在于：所述阻尼密封的间隙为0.1～0.35毫米。 

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