关于提升气悬浮压缩机轴承运转稳定性的研究

关于提升气悬浮压缩机轴承运转稳定性的研究

华超,周堂

珠海格力电器股份有限公司  广东省 珠海市 519000

摘要：本文介绍了气悬浮压缩机轴承运行过程中存在的问题，阐述了问题产生的主要因素，并提出了一种新型供气装置结构方案来优化轴承运转精度，提升了气悬浮轴承运转稳定性，保证了机组可靠运行。

关键词：气悬浮压缩机，轴承，稳定性，供气装置

0、引言

离心压缩机是一种速度型压缩机，具有排量大，效率高，结构简单，易损件少，连续运行时间长的特点。是一种叶片旋转式压缩机【1】，主要是通过叶轮对气体做功，从而使得气体的压力和速度升高。完成气体运输的压缩机设备。常规压缩机轴承通常采用滑动轴承或滚动轴承，但是轴承和转子是滑动和滚动形式的刚性接触【2】，存在较大摩擦力，故常规压缩机的运行效率并不是很高。为此，笔者公司研制出来一款气悬浮压缩机，该气悬浮压缩机轴承由气体提供浮力，使得压缩机转子悬浮起来并与气悬浮轴承分离，不与轴承直接接触，悬浮起来的转子和气悬浮轴承之间中间形成一层气膜，避免了转子和轴承直接刚性接触摩擦。因没有了摩擦力因素的影响，气悬浮压缩机的运转效率更高。气悬浮压缩机的应用将会得到巨大的推广及发展。

1、气悬浮压缩机运行存在的问题

正常情况下，当气悬浮压缩机转子悬浮运转起来后，转子轴会稳定运转在一定范围内，轴心轨迹会在一个很小的范围内偏移，运行轨迹也比较有规律；但是在实际实验过程中，转子轴心运行出现了不规则的轴颤现象，运行轨迹精度低。

2、轴颤现象原因分析

经过分析发现，气悬浮压缩机里气悬浮轴承最好的状态是全部采用冷媒气体进行供气悬浮，但是我们现有的供气装置不能有效的分离气液态冷媒，往往悬浮轴承的供气中含有较多的冷媒小液珠，正常情况下如果气悬浮轴承全部由气态冷媒悬浮的话，各处的悬浮压力能很好地保持一致，轴承运行稳定精度高，不会有轴振现象产生；但是目前我们因为供气不纯，供气中夹杂有较多的冷媒小液珠，当冷媒小液珠进入轴承腔因为轴承腔温度较高，达到冷媒的相变点，冷媒小液珠就会气化成气态冷媒，一个一个小液珠的气化（如同放鞭炮效果一样，引起局部气压爆振），多个局部气压爆振引起了轴承腔内气压不稳定，进而导致轴承振颤运转不稳定精度低，这样不仅导致轴承自身寿命缩短，而且可能会因为轴的不稳定运转，导致轴与梳齿等零件干涉磨损损坏。

常规储气罐如图1所示，只是简单的空罐子容器，依靠冷媒重力进行自动分层，较重的液态冷媒往下沉，较轻的气态冷媒往上浮，但是因为罐子的体积无法做太大，往往自动分层效果不理想，供的气体中还有很多气液态的冷媒，导致压缩机运行时，轴悬浮精度不高，与中心点偏移严重见图3现有轴承悬浮精度（使用现有储气罐结构）所示。

3、轴颤现象的解决方案

为了解决上述问题，我们很有必要研发一款新型储气罐来满足供气需求，提高轴的悬浮精度和稳定性。一种新型储气罐结构，通过重力分离、挡板分离和过热气化相结合的方式，有效分离和消除供气中的冷媒小液珠，保持轴承腔的气压稳定性，减少轴承振颤和运转不稳定，提升轴运行稳定性，提高轴运行精度。进而提高压缩机和电机的可靠性和稳定性。

3.1新型储气罐主要结构

如图2新型储气罐结构所示，储气罐中有5个接口，其中：

接口1：位于储气管中下部，距离罐底有一定距离，作用为从冷凝器引入气液态混合冷媒到储气罐中。

接口2：位于储气罐最低位置，作用为将储气罐中液态冷媒引回蒸发器中。

接口3：位于储气罐最高位置，作用为将储气罐分离后的气态冷媒供气给压缩机气悬浮轴承悬浮使用。

接口4：位于储气罐中上部的过热加热器上，属于过热加热器的进口端，作用为将冷凝器中的热态冷媒引入过热加热器中。

接口5：位于储气罐中上部的过热加热器上，属于过热加热器的出口端，作用为将换热后的热态冷媒引向闪发器进行第一次节流闪发，提升机组能效。

过热加热器：位于储气罐中上部，板式中空结构，表面有较多贯通竖直流道用于工质流通换热，过热加热器作用为通过热态冷媒的热量对分离后气态冷媒区中的冷媒进行过热加热，使得部分分离补充分的冷媒小液珠加热至过热气化状态，保证供给气悬浮轴承的冷媒气体纯净。

分液挡板：位于储液罐中上部，低于过热加热器，作用为分离气液混合态冷媒中的一部分冷媒小液滴。

3.2新型储气罐主要工作流程

该新型储液罐整体的大概工作流程如下：冷凝器引入的气液态混合冷媒从接口1进入储气罐中；刚进入储液罐瞬间气液态混合冷媒中一部分液态相变吸热成气态，另一部分放热变成液态，在重力作用下，液态冷媒下沉到储气罐底的液态冷媒区，通过接口2将液态冷媒引回蒸发器中；气态冷媒上浮到气态冷媒区，气态冷媒在上浮过程中不可避免的夹杂这一部分漂浮的冷媒小液滴，当气液混合态的冷媒上升经过分液挡板时，绝大部分体积较大的飘浮冷媒小液滴会吸附到分液挡板中，被分离出来；可能还存在部分体积较小的漂浮小液滴随气态冷媒一起上升到气态冷媒区，这时候漂浮小液滴随气态冷媒继续上升经过过热加热器中的小孔，在经过小孔期间，过热加热器会对漂浮小液滴和气态冷媒一同加热换热，使得漂浮小液滴吸热达到过热状态相变全部气化成气态冷媒，最后气态冷媒从接口3供气给压缩机气悬浮轴承。因经过新型储气罐分离后的气态冷媒，没有了各种冷媒小液滴的存在，当气体供到气悬浮轴承中时，就不会引起局部气压爆振，没有局部气压爆振就不会引起轴承腔内气压不稳定，进而避免了轴承振颤导致的运转不稳定和精度低；这样有效延长了轴承自身寿命和提高了轴的运行精度和稳定性，参考图4、理想轴承悬浮精度（使用新型储气罐结构）。

4结论

目前随着碳达峰、碳中和新发展理念的逐渐深入人心，国内外的绝大多数工程追求高效机房设计，除了挖掘智控楼宇、集体冷站等群控方式来提升能效外，更多的是考虑从根本上将普通压缩机更换为轴承摩擦力极小，能效更高的气悬浮压缩机来提升主机能效；如此一来，优化气悬浮供气装置，提高气悬浮轴承运转精度，提升了气悬浮轴承运转稳定性，保证机组可靠运行已经成为了迫在眉睫的事情。

参考文献

[1] 徐忠. 离心式压缩机原理. 西安: 西安交通大学出版社. 2005: 40-44.

[2] 马国远，李红旗，旋转压缩机[m].北京:机械工业出版社,2001