离心式压缩机转子制造关键技术探析

摘 要：离心式压缩机转子是现代一些大型机械设备的核心构件，从某种程度上来讲，它直接影响着一个国家机械制造业的实际水平，所以，离心式压缩机转子的制造技术是非常重要的。但是，非常遗憾的是，我国目前离心式压缩机转子制造技术还不成熟，大多数离心式压缩机转子都从外国进口，这对于我国现代机械制造业的发展是非常不利的。本文对离心式压缩机转子的小特点进行了分析，探讨了叶轮轴向力以及工艺流程及加工方式，提出了离心式压缩机转子的设计方案，希望能够对我国自行生产离心式压缩机转子起到一定的促进作用。

关键词：离心式压缩机转子；制造技术；叶轮轴向力；工艺流程及加工方式

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.033

虽然我国社会和科学技术在近几年得到了快速发展，但是在一些尖端领域我国还有非常多的不足。比如，在机械制造领域，非常关键的离心式压缩机转子依然是我国目前无法自行制造的，这对于我国工业的发展非常不利。另外，从外国进口离心式压缩机转子，一旦发生故障，那么还需要花费大量的资金来邀请国外工程进行修理，增加了设备的维护成本，这对于我国本土企业的发展是非常不利的。还有，从国外进口离心式压缩机转子，不但维护成本高，而且耗时长，一旦设备出现故障就会对实际生产造成很大的影响，严重的甚至会导致工程停工，给企业带来巨大的经济损失。所以，研发我国能够自主生产的离心式压缩机转子势在必行。

当前，对生产离心式压缩机转子来讲，最主要的技术难点就是如何保证叶轮轴向力和工艺流程及加工方式，而确保该工作的前提就是拥有性能优良的原材料。本文对离心式压缩机转子的化学成分进行了分析，并在此基础上确定了其原材料，然后以此原料为基础进行了叶轮轴向力的检验，最后提出了较为可行的生产方案。

1 离心式压缩机转子失效的特征

离心式压缩机转子在机械设备中非常重要的一个作用就是对涡轮的动力进行传输，因此也将压缩机称之为转子轴，如果想要是我国能够自主生产离心式压缩机转子，第一步就必须要分析出制作离心式压缩机转子的基本材料。所以，本文对一件出现裂纹的转子进行了分析。从转子的裂纹处我们能够判断出，裂纹具有下面一些特征：（1）终端区周边呈现出白亮的金属色泽，其余位置为银灰色；（2）对其进行微观观察时，发现裂纹区较为平滑并且其中分布着多个黑色区域，猜测这些黑色区域可能是杂物或者由于离心式压缩机转子在使用过程中被腐蚀所造成的。

通过对该区域材料实施化学分析我们得知，该区域的碳、氧、铝以及钾元素含量比较高，将离心式压缩机转子表层的图层去掉之后对其再次分析，可以断定离心式压缩机转子是由31CrM0V9制成。之后再对断裂的原因展开分析：（1）转子轴在实际使用中承担着主要的扭力，通过对转子轴裂纹的特征进行观察我们可知，其裂纹是由于受到正应力的作用而形成并缓慢扩展开来的。从断面情况观察，没有非常明显的塑性形变，这证明转子轴是因为疲劳而开裂的。在贝纹区中心部位有黑褐色氧化物存在，这可以推断出该位置是经由高温氧化作用形成的，有可能在淬火工艺之前就已经存在，即有可能该转子轴制作加工过程中就有一定的不足。（2）通过对裂纹的微观观察结果我们可知，裂纹区具有大量的含有铝、钾的氧化物，且相关表征已经证明，转子表层已经遭受到一定的腐蚀，这可能是其运行环境造成的。（3）通过化学成分分析的结果我们可知，离心式压缩机转子的原材料为31CrM0V9，它符合轴类零件的材质要求。（4）零件的芯部硬度为29HRC，硬度稍显不足，但是其仍然可以达到轴类零部件使用的需求。

2 叶轮气流轴向力

使用31CrM0V9作为离心式压缩机转子的原材料，并对其开展轴向力校核。离心压缩机叶轮做功使气体获得能量，气体压力升高。这样叶轮产生一个轴向力，气流轴向力主要由两部分组成，一是叶轮两侧的气体压力不等，另一部分由气体动力产生。

（1）气体压力不均衡所引起的轴向力计算公式为：F=F2-F1-F0

通过计算最终得出F=F2-F1-F0=109.9945×103N

（2）计算气动力产生的轴向力F’=0.014×103N

（3）气流轴向力Fg=F+F’=110.0366×103N

31CrM0V9所能承受的压力极限为5x106N。显然，当转子材料选择31CrM0V9时，是满足上述轴向力要求的。

3 自主化生产方案及工艺流程

在寻找到可以制作转子的材料之后，经过对材料的实验发现其能够满足转子工作所需要的条件，即可以满足轴向应力要求，在此基础上对技术方案及工艺流程进行改进，如下：

（1）设计出生产图纸。通过对进口的压缩机转子各方面数据和性能的测定，收集其各项指标，并对其展开受力分析以及腐蚀性研究，通过筛选、对比，最终选出合适的材料。

（2）然后，按测绘图编制GT032TIG2型压缩机转子试制工序，备料，试制加工和热处理。

（3）其次，将加工好的GT032TIG2型压缩机转子进行高速动平衡试验和超转试验，进行最后检查、验收，并油封。

（4）最后，利用对压缩机转子进行检修的机会用国产的设备替换掉M口的设备，并进行空载试运行，然后使半负荷运行，最后进行满负荷运行，在此过程中对设备运行的平稳性、压力、振动值以及温度等关键参数进行测定。

GT032TIG2型循环气体压缩机检修后，机组通过空载运行，半负荷运行，满负荷48h运行，以及半年运行考核，机组排气量、压力、转子振动值和轴承温度等关键运行技术指标符合原机设计值，该机组国产转子性能基本和原装转子相当，能够完全替代进口备件，说明本次转子国产化改造非常成功。

4 结论

在本文的研究中，通过精心的前期准备，按照设定的规划对离心式压缩机转子的原材料成分、叶轮气流轴向力等关键点进行了分析和验算，并在此基础上提出了我国自主生产离心式压缩机转子的方案。

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