?816mm大型螺桿壓縮機研制

韓麗娟 施逢委 上海大隆機器廠有限公司 (200431）

0 引 言

?816mm大型轉子螺桿壓縮機，是國際上具有較大轉子直徑的螺桿壓縮機。國際上也只有德國曼和日本神戶制鋼二家公司有此生產(chǎn)能力。國內在此領域尚屬空白。本機開發(fā)研制,可以用于百萬噸級乙烯及深加工和取代有特大氣量需求、且目前只能依靠進口國外機組的重點工程和大型石化、煤化工領域，并可用于“十二五”規(guī)劃（草案）140萬t乙烯項目。

為配合國家能源結構的變化，我公司以青海昆侖堿業(yè)有限公司100萬t/年純堿裝置為依托，以德國曼公司的螺桿壓縮機的技術參數(shù)和技術特性為設計目標，結合原有產(chǎn)品的技術特點，進一步自主創(chuàng)新、開發(fā)研制出本產(chǎn)品。

1 壓縮機概述

壓縮機就其工作原理，可以分為容積式和動力式，其中容積式壓縮機按工作特征又可以分為往復式和回轉式，螺桿壓縮機就是回轉式壓縮機中的一種。

螺桿壓縮機就提高氣體壓力而言，與活塞壓縮機相同，都屬于容積式壓縮機。其主要部件的運動形式，又與透平壓縮機相似。所以螺桿壓縮機同時具有上述兩類壓縮機的特點。

螺桿壓縮機已在石油、化工、冶金等各領域得到廣泛的應用，如火炬氣、尾氣、解析氣、焦爐煤氣、CO2氣 、乙烯裝置等。入口流量范圍為 3～1000 m3/min，單級壓比可達到10，排氣壓力通常小于2.0 MPa，最大功率可到5200 kW。

螺桿壓縮機具有如下特點:

(1) 易損件少，連續(xù)運行時間長，可靠性高。

(2) 結構簡單，操作維修方便。

(3) 動力平衡性好，機器可平穩(wěn)高速工作。

(4) 體積小，重量輕，占地面積小。設備基礎投資小。

(5) 適應性強。螺桿壓縮機具有強制輸氣的特點，在寬廣的范圍內能有較高的效率。

(6)多相混輸。螺桿壓縮機的轉子齒面間實際上留有間隙，因而能耐液體沖擊，可壓送含液氣體、含粉塵氣體、易聚合氣體等。

由于螺桿壓縮機的轉子，需利用特制刀具，在價格昂貴的專用設備上加工，其殼體的加工精度要求也高，所以造價高；另外螺桿壓縮機不能用于高壓場合，國內機組的排氣壓力一般不超過2.0 MPa。

2 工作原理

螺桿壓縮機是一種容積式壓縮機，其工作原理分為吸氣過程、壓縮過程和排氣過程，見圖1。

圖1 螺桿壓縮機工作原理

1.吸氣過程

圖1(a)所示為螺桿壓縮機的吸氣過程，陽轉子按逆時針方向旋轉，陰轉子按順時針方向旋轉。隨著轉子開始運動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒間容積，這個齒間容積的擴大，在其內部形成了一定的真空，而此齒間容積又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中。在隨后的轉子旋轉過程中，陽轉子齒不斷從陰轉子齒槽中脫離出來，齒間容積不斷擴大，并與吸氣孔口保持連通。從某種意義上講，也可以把這個過程看成是活塞（陽轉子齒）在氣缸（陰轉子齒槽）中滑動。

吸氣過程結束時，其最顯著的特征是齒間容積達到最大值，隨著轉子的旋轉，該齒間容積不會再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結束。

2.2 壓縮過程

圖1(b)、(c)表示螺桿壓縮機的壓縮過程。這是從上面看相互嚙合的轉子。吸氣過程結束后，隨著轉子繼續(xù)旋轉，此時，氣體被轉子齒和機殼包圍在一個封閉的空間中，齒間容積由于轉子齒的嚙合就要開始減小。被密封在齒間容積中的氣體所占據(jù)的體積也隨之減小，導致壓力升高，從而實現(xiàn)氣體的壓縮過程。壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。

2.3 排氣過程

圖1(d)表示螺桿壓縮機的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始其排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合。此時，齒間容積內的氣體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積的體積將變?yōu)榱恪?/p>

從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉子在機殼內作回轉運動來達到。

與活塞式壓縮機的區(qū)別是它的工作容積在周期性擴大和縮小的同時，其空間位置也在變更。只要在機殼上合理的配置吸、排氣孔口，就能實現(xiàn)壓縮機的基本工作過程。

螺桿壓縮機的排氣也具有脈動性，但由于壓縮機轉速高，齒數(shù)又多，所以輸氣脈動性相應較小，氣流可視為平穩(wěn)均勻的。

由于同步齒輪及軸承的作用，保證了轉子與轉子，轉子與殼體之間在工作時有較小的間隙，使壓縮過程中既沒有摩擦又起到密封氣體、提高氣體壓力的目的，這樣就可以使壓縮機達到較低的漏氣損失和機械損失，從而獲得較高的效率。

3 結構特點

螺桿式壓縮機是由兩個旋轉螺桿（陽轉子與陰轉子）平行的配置在“∞”形氣缸內部，并置于氣缸體和氣缸頭的軸承上，在吸入側、排出側，軸承與轉子之間有軸封裝置，它可防止軸承的潤滑油漏入氣缸和氣體由氣缸向外泄漏。兩轉子在吸氣段外側均有同步齒輪，使轉子與轉子之間保持正常的間隙，而且同步齒輪的速比與螺桿轉子的速比相等。在每個轉子的排氣端外側裝有止推軸承，它用于承受由吸入和排出壓力差而產(chǎn)生的軸向推力（見圖2）。

陰陽轉子之間、轉子與氣缸之間以及螺桿端面與氣缸壁之間均有較小的間隙，工作時相互之間不接觸，因此不會產(chǎn)生摩擦，也無需進行潤滑，為了使轉子間的間隙保持到最小值，以及減少熱膨脹對間隙的影響，氣缸殼體采用循環(huán)水冷卻，壓縮腔內噴入適量的冷卻軟水，以控制因壓縮而升高的排氣溫度。

3.1 機殼

機殼由氣缸體、氣缸頭、前蓋和后蓋等組成，氣缸體、氣缸頭和后蓋又沿水平中心分為上下兩部分，在氣缸體上，下部焊有水罩殼，圍成冷卻水套，氣缸頭上部設有特定形狀的進氣口和噴入冷卻水的接口，氣缸體下部支承于底座上，在氣缸排氣側端面上開有蝴蝶形軸向排氣口，另外在徑向開有三角形排氣口，它具有最大可能的通流面積，使排氣時的損失達到最小值。由于壓縮腔內噴水，介質中的CO2組份溶于水后呈酸性，會對氣缸產(chǎn)生腐蝕，因此氣缸體和氣缸頭均用耐腐蝕材料鑄造而成，它們經(jīng)過必要的熱處理而具有足夠的剛度。

3.2 螺桿轉子

水平并排安放的一對嚙合的螺桿轉子是螺桿壓縮機的關鍵性零件，其中陽轉子有四個凸齒，陰轉子有六個與陽螺桿相嚙合的凹槽。螺桿轉子經(jīng)過精密加工，其齒頂和端面上制有精細的密封棱邊，它們與殼體之間的微小間隙就靠這些棱邊來保證，而且轉子經(jīng)過多次的動平衡試驗，因此加工完畢后的轉子必須加以保護。 轉子的材質為鍛鋼，它需經(jīng)過必要的熱處理。

3.3 同步齒輪

同步齒輪安裝于壓縮機吸入端外側的轉子軸頸上，以保證陽、陰轉子運轉時的同步性，且齒輪具有較高的精度，故足以保證高速傳動的正確性以及轉子運轉時正確的微小間隙。為了便于調整轉子之間的間隙，陰轉子上的被動同步齒輪由輪轂和齒輪（齒輪分成二片）組成。同步齒輪用壓力油潤滑，順便提一下，厚薄齒輪錯位，主要為了一旦轉子逆轉時起到保護作用，使轉子不會被損傷。

圖2 壓縮機結構

3.4 軸承

軸承包括徑向軸承和止推軸承兩種，均采用滑動軸承型式，止推軸承承受壓縮機在正常運轉時，由吸入和排出壓力差而產(chǎn)生的推力。軸承均由壓力油潤滑，轉子之間的間隙，轉子外圓與氣缸的間隙，以及轉子兩端面與氣缸壁之間的間隙均與徑向軸承、止推軸承的間隙有密切的關系，所以軸承的間隙必須保證在要求限度之內，當發(fā)現(xiàn)軸承摩擦或其他原因引起間隙增大時，必須加以調整，必要時調換軸承。

3.5 密封裝置

轉子兩軸端的密封均采用石墨迷宮式密封。填料箱中分別裝有五或者六個整體的石墨環(huán)，石墨環(huán)外側用金屬環(huán)加固，吸入側石墨環(huán)一端裝有波形彈簧使石墨端面產(chǎn)生預緊力，籍以密封氣體，防止泄漏。吸入側填料外端還有左右梯形螺紋密封，排出側填料箱內除石墨平滑型密封外，還采用充氣密封，用來防止軸承潤滑油向氣缸腔滲入以及水氣向油箱滲漏。石墨還與軸之間有極小的間隙，環(huán)是靜止狀態(tài)的，軸與石墨環(huán)萬一接觸時，石墨環(huán)可以自由的徑向移動以避免軸表面損傷。

4 技術性能參數(shù)

表1 國內外同類機型參數(shù)比較

通過以上參數(shù)對比，可以看出該產(chǎn)品已達到國際同類產(chǎn)品的技術指標。

5 關鍵技術與解決方案

5.1 雙道充氣碳環(huán)密封

鑒于石油化工生產(chǎn)裝置大多數(shù)在易燃、易爆、有毒、長周期連續(xù)生產(chǎn)等條件下運行，為了防止介質的泄漏，確保安全生產(chǎn)，設計時密封裝置需要重點考慮，尤其是大直徑螺桿壓縮機的軸密封。

在設計過程中巧妙地應用傳統(tǒng)的密封環(huán)組件、隔環(huán)、波形彈簧、油封壓蓋等，設計出雙道充氣密封結構（見圖3）。

圖3 雙道充氣碳環(huán)密封

碳環(huán)懸浮在轉子軸密封處軸頸上，靠極小的徑向間隙有效地控制壓縮介質向外（軸承）側泄漏，碳環(huán)端面在波形彈簧和氣體壓力的雙重作用下緊緊貼住隔環(huán)端面而獲得密封。碳環(huán)在機器運轉時處于半懸浮狀態(tài)，可以自由地作徑向移動，當軸與碳環(huán)內孔接觸時，產(chǎn)生極小的摩擦力矩，使碳環(huán)磨損極小，使用壽命得到保證；再配上合理的充氣壓力控制系統(tǒng)，采用差壓式氣動薄膜調節(jié)閥控制充氣量，使大直徑螺桿壓縮機的密封性能和壽命問題都得到解決。這種密封結構既能確保壓縮機軸端的密封性，又能保證壓縮介質本身的純度。

5.2 機械式鑲軸轉子

轉子是螺桿壓縮機的關鍵零件，在運行中轉子承受很大的載荷，如氣體壓力、轉子質量及回轉慣性力，因此，設計時需考慮轉子要有很好的強度和剛度。

考慮國內基礎工業(yè)的實際現(xiàn)狀，2Cr13材料的大直徑轉子（＞600mm）整體鍛件的機械性能及晶粒度等指標往往不能滿足設計要求，導致壓縮機運轉時容易出現(xiàn)斷軸事故，鑒于上述原因，設計出一種新型結構—采用機械式連接方式將三段分體的鍛件（二根端軸和一根轉子體）合成一體，再進行整體機加工（見圖4）。

圖4 轉子結構

分段的2Cr13鍛件熱處理性能與晶粒度容易保證，轉子體粗加工齒形后進行熱處理以消除切削應力，兩端鑲軸，端軸和轉子體間采用過盈定位、螺栓連接、銷傳遞力矩，連成一體后，再完成各道工序加工。這樣既能保證轉子的精度和各檔軸同心度，又能保證連接可靠性、從而確保壓縮機能長期安全運行。

5.3 改進的高效齒形

齒形改進是推動雙螺桿壓縮機改善性能，拓寬應用領域的主要動力。目前，常用的齒曲線有:點、直線、擺線、圓弧、橢圓、拋物線、漸開線、雙曲線及包絡線。齒形中的尖點會引起較大的氣流擾動，誘發(fā)高噪聲；同時，尖點處型線不易加工，刀具磨損嚴重。為避免型線中出現(xiàn)尖點，現(xiàn)代轉子齒形的設計大多避免采用點、直線和擺線，而采用圓弧、橢圓等二次曲線及其包絡線，使轉子實現(xiàn)曲面對曲面的密封。

本機組齒形由四段圓弧性質、二段橢圓性質的齒曲線組成（見圖5）。

圖5 不對稱齒形

該齒形是一種效率高、壽命長、加工性能好的雙螺桿壓縮機的轉子齒形，呈流線型，兼顧過流面積大，泄漏三角形小，接觸線短，封閉面積小等因數(shù)，提高了壓縮機容積效率和可靠性，效率比原先提高了3%，并降低了噪聲。另外本轉子齒形既可采用成型銑削加工，也可采用磨削加工，刀具磨損均勻，從而減少修刀次數(shù)，延長刀具壽命，型線的加工性能優(yōu)越。

5.4 可傾瓦塊止推軸承

壓縮機轉子的自重以及運行中產(chǎn)生的氣體力、回轉慣性力等均由軸承來承載，軸承的設計往往是壓縮機可靠運行的關鍵?？紤]本機組工況的惡劣，采用自主創(chuàng)新設計的可傾瓦塊止推軸承（見圖6），可傾瓦塊止推軸承的止推塊由若干弧形瓦塊組成，各止推塊能夠適應工況的變化自動調節(jié)斜度，這樣可以在不增大止推軸承面積的情況下有效地增大軸承的承載能力。

圖6 軸承剖面

當載荷或者速度發(fā)生變化時，各止推塊可以適應變化自動調節(jié)斜度，出油側的油膜厚度相應改變，但間隙比保持不變，這樣軸承就可以在載荷或者速度經(jīng)常發(fā)生變化的工況下工作，從而解決高轉速和大推力下的軸承壽命問題。

6 研制成果的優(yōu)勢

6.1 ?816mm大型轉子螺桿壓縮機關鍵部件的設計，采用了新的技術:如采用可傾瓦推力軸承結構、雙道充氣碳環(huán)密封、機械式鑲軸連接結構的轉子、高效的齒形、工藝軸加工方式等。確保了壓縮機能夠長期、可靠、平穩(wěn)地運行，同時提高了機組效率。

6.2 選用?816mm大型轉子螺桿壓縮機，可以減少工藝流程裝置中配套的壓縮機臺套數(shù)。就純堿項目來說，年產(chǎn)100萬t裝置，原選用?630機型需10～12臺，現(xiàn)選用?816機型，則僅需5～6臺，機組配套可以減半，其優(yōu)點如下:

(1) 用戶采購壓縮機設備總費用降低；

(2) 設備總占地面積減小，廠房投資大大降低；

(3) 設備相應配套的儀表控制、故障點也減少，操作維護更加方便；

(4)設備日常維護費用降低。

6.3 單臺機組價格比進口同類機型低1/2以上。

7 社會及經(jīng)濟效益

?816mm大型轉子螺桿壓縮機的研制成功，填補了國內空白，打破了國外同行業(yè)在此領域的壟斷地位，推進了裝備自主化，為國家重點工程提供設備安全保障。既為公司贏得新的利潤增長點，又為國家節(jié)約大量的外匯，并且創(chuàng)造了此產(chǎn)品設計和生產(chǎn)能力世界第三、國內第一的業(yè)績，有著良好的發(fā)展前景和深遠的意義。

該產(chǎn)品可在石化、煤化工、制堿及冶金等各領域應用，也可用于百萬噸級乙烯及深加工裝置、焦爐煤氣制氫或提甲醇裝置、西氣東輸工程的加壓站等項目。

自2009年研制成功后，已實現(xiàn)銷售6410萬元。為公司創(chuàng)利781萬元。2012年已接訂單7200萬元。據(jù)市場調研，全國每年的需求量在80臺左右，按每臺750萬元計算，31.25%的市場占有率25臺計算，保守估計可每年實現(xiàn)銷售1.875億元，創(chuàng)造利潤1000萬元左右。

8 結 語

?816mm大型螺桿壓縮機，是學習、吸收國外先進技術，同時結合本身具有幾十年的設計、制造螺桿壓縮機的經(jīng)驗，在此基礎上進一步創(chuàng)新并研制出具有國內領先、國際先進水平，是完全擁有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新技術產(chǎn)品。

該項目在研制過程中，取得三項實用新型專利:《一種雙螺桿壓縮機的雙道充氣密封裝置》專利號:ZL200820151886.X，《一種雙螺桿壓縮機轉子結構》專利號:ZL 201020113982.2，《螺桿壓縮機的工藝轉子》專利號:ZL200920286141.9。申請了一項發(fā)明專利《一種雙螺桿壓縮機的轉子齒型》申請?zhí)?201010133942.9。