4萬等級(jí)空分組裝式壓縮機(jī)研制

金鑫

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110000）

4萬等級(jí)空分組裝式壓縮機(jī)研制

金鑫

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110000）

隨著空分行業(yè)的發(fā)展，多軸組裝式壓縮機(jī)其高效率，低成本，小占地，易于系列化等的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，成為行業(yè)的主流，是西門子、曼透平等公司的主打產(chǎn)品，其效率優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)極其顯著。因此研制中、大型組裝式空壓機(jī)成為國(guó)內(nèi)各空分壓縮機(jī)制造廠的重中之重。本文對(duì)4萬等級(jí)空分組裝式壓縮機(jī)研制進(jìn)行研究分析。

4萬等級(jí) 空分壓縮機(jī) 組裝式

原料空氣壓縮機(jī)組是整個(gè)裝置中的核心設(shè)備，本項(xiàng)目壓縮機(jī)組由6極原動(dòng)機(jī)和多軸組裝式壓縮機(jī)通過2300mm長(zhǎng)度的膜片聯(lián)軸器連接組成。壓縮機(jī)共有3個(gè)轉(zhuǎn)子：兩個(gè)高速轉(zhuǎn)子，一個(gè)低速轉(zhuǎn)子，三個(gè)半開式葉輪通過三級(jí)壓縮來實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)高速轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，葉輪直徑也大不相同，這樣可以保證每級(jí)葉輪都處于最佳效率點(diǎn)。在L軸和H軸中間是大齒輪軸，可以充分的將L軸H軸拉開，使每級(jí)擴(kuò)壓器和蝸殼有足夠的空間，都能充分?jǐn)U壓?？諌簷C(jī)和電機(jī)放置在二樓，整個(gè)機(jī)組中設(shè)置兩個(gè)段間冷冷卻器，均采用翅片管結(jié)構(gòu)，有效的增加散熱面積，降低氣冷尺寸，氣冷布置在一樓機(jī)組下部，結(jié)構(gòu)緊湊，占地小，節(jié)約空間。在機(jī)組入口設(shè)置在線噴水裝置，可以有效降低葉輪上的積灰，提高轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。同時(shí)由于轉(zhuǎn)子重達(dá)20噸，啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，易破壞軸瓦，因此對(duì)大齒輪軸承增加頂升孔，通過30公斤的頂升油在機(jī)組啟動(dòng)前，變將大齒輪頂起來，使得整個(gè)機(jī)組的靜摩擦力矩減少60%以上。

空分裝置運(yùn)轉(zhuǎn)起來之后，其原料為大氣，最主要的成本就是壓縮機(jī)的耗功，因此壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是用戶最為關(guān)注的參數(shù)。氣動(dòng)性能一方面要求效率要高，其次是設(shè)計(jì)點(diǎn)選取合理，要準(zhǔn)確，保證機(jī)組在高效點(diǎn)運(yùn)行，最后是機(jī)組調(diào)節(jié)范圍要寬廣，即要滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)功耗，又要滿足額定點(diǎn)和最小工況，即要適應(yīng)夏天炎熱高溫，又要適應(yīng)冬季的最小溫度。本機(jī)組第一段采用高能頭高效半開葉輪，周速達(dá)到380m/s，效率最高，承擔(dān)的壓比最大，輪子本身的工作范圍相對(duì)窄些，因此在第一級(jí)入口設(shè)置導(dǎo)葉，通過改變氣體進(jìn)口角度，正負(fù)預(yù)旋，調(diào)節(jié)機(jī)組的工況范圍。由于進(jìn)口導(dǎo)葉，葉輪葉片，出口擴(kuò)壓器葉片，三者各有其固有頻率，相互脈動(dòng)，因此不僅僅要通過SNSYS建模分析計(jì)算葉輪強(qiáng)度，還有計(jì)算其固有頻率，確保其不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。

通過采用高效半開葉輪，由于其流量系數(shù)在0.12-0.16左右，大大高于閉式葉輪的0.06-0.1，因此可以大大降低葉輪直徑，減小重量，節(jié)約成本。在保證機(jī)組性能的同時(shí)，通過不斷優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)，雖然周速達(dá)到340-380m/s，遠(yuǎn)大于閉式葉輪的280m/s，但是由于強(qiáng)度好，因此可以采用低一等級(jí)的葉輪材料，比高等級(jí)材料節(jié)約一半的成本。

由于是懸臂葉輪，因此要與主軸連接，根據(jù)葉輪特性，采用法蘭盤連接，整個(gè)轉(zhuǎn)子扭矩通過螺栓來傳遞，要求螺栓強(qiáng)度必須要高，而且計(jì)算要準(zhǔn)確，否則發(fā)生螺栓斷裂造成的后果將非常嚴(yán)重，通過轉(zhuǎn)子質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、推力、葉輪重量、重心、摩擦系數(shù)、預(yù)緊系數(shù)、剛性系數(shù)等參數(shù)，準(zhǔn)確的計(jì)算出螺栓圓直徑，和螺栓直徑與數(shù)量，并采用集團(tuán)自主研發(fā)的特制螺栓：特殊的螺栓材料和特殊的加工工藝，其屈服強(qiáng)度大于1030MPa，遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上的通用螺栓，確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

型環(huán)間隙對(duì)機(jī)組的氣動(dòng)性能影響非常大，如何保證合理的間隙是個(gè)難題，通常有以下幾個(gè)因素：由葉輪高速旋轉(zhuǎn)的離心力產(chǎn)生應(yīng)力變形量；由葉輪溫度升高產(chǎn)生的熱變形；由每級(jí)葉輪兩側(cè)的氣體作用力不一致產(chǎn)生的軸向力帶來的轉(zhuǎn)子竄動(dòng)；軸承間隙；由潤(rùn)滑油熱量產(chǎn)生的軸的熱位移。通過上述5個(gè)方面計(jì)算，能夠得出理論的間隙，但由于一些參數(shù)數(shù)變化的，計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)有一定的偏差，對(duì)機(jī)組性能或者安全性產(chǎn)生一定的影響。本產(chǎn)品通過特殊的方法，測(cè)出產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的真實(shí)間隙，并采用經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的，在大面積，高流速，高壓力下也不會(huì)發(fā)生脫落的全新涂層技術(shù)，保證機(jī)組在突發(fā)事件中也不會(huì)發(fā)生型環(huán)刮碰現(xiàn)象，從而保證整機(jī)效率。

葉片擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)：葉片擴(kuò)壓器一方面要保證機(jī)組的效率和寬廣的工況范圍等壓縮機(jī)性能參數(shù)，另外一方面如果葉片與葉輪頻率偶合不好的話，會(huì)造成氣體波動(dòng)，從而帶動(dòng)氣體管路振動(dòng)，通過對(duì)擴(kuò)壓器入口角進(jìn)行部分切削，在保證性能的前提下，減少管路振動(dòng)，降低機(jī)組噪音；大型排氣蝸殼性能分析與優(yōu)化；離心壓縮機(jī)排氣蝸殼的作用是收集擴(kuò)壓器出口的氣體并輸送到氣管路，其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)直接影響到整級(jí)乃至整機(jī)的氣動(dòng)性能以及振動(dòng)、噪聲等指標(biāo)，其重要性在大型離心壓縮機(jī)中尤為突出。因此通過對(duì)排氣蝸室進(jìn)行流動(dòng)模擬以及幾何形狀優(yōu)化，在原有基礎(chǔ)上提高機(jī)組性能2%左右，通過對(duì)整個(gè)內(nèi)部流到進(jìn)行拋光，還能提高效率1.5%左右。

由于功率大，需要的潤(rùn)滑油多，齒輪箱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的油煙，僅通過油站上的排煙風(fēng)機(jī)無法保證油煙泄露，因此，一方面通過改進(jìn)油封結(jié)構(gòu)，削尖密封齒，增大回油孔，充密封氮?dú)?，另外在齒輪箱頂部增加排煙風(fēng)機(jī)，帶油氣分離器，確保不發(fā)生油煙泄露。對(duì)氣體密封進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，通過采用全新結(jié)構(gòu)和材料的氣封-peek密封，可以降低密封間隙30%，盡可能的減小泄露量，保證機(jī)組效率。

齒輪箱技術(shù)，國(guó)內(nèi)和國(guó)外知名廠家一直在效率水平，加工能力上存在差距，本機(jī)組通過大量計(jì)算，結(jié)構(gòu)分析與不斷優(yōu)化，把1-3級(jí)定子一起與齒輪箱建模，進(jìn)行力學(xué)分析，一方面計(jì)算其強(qiáng)度，另一方面計(jì)算整個(gè)機(jī)組各管口的位移，為管路配管奠定良好的基礎(chǔ)；大齒輪齒環(huán)的鍛造和加工工藝，超大齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝等都進(jìn)行了大量的創(chuàng)新，確保齒輪箱在全負(fù)荷條件下，也不會(huì)發(fā)生變形；通過提高齒輪加工精度，優(yōu)化噴油設(shè)計(jì)提高了齒輪的傳遞效率；通過改進(jìn)油封設(shè)計(jì)，增加排煙口等方式避免油煙泄露；同時(shí)在滿足強(qiáng)度的情況下，對(duì)大齒輪齒環(huán)等進(jìn)行減重優(yōu)化，最終完成了國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造的最大的多軸齒輪箱：大齒輪直徑3m，齒輪箱長(zhǎng)5.5m，寬1.8m，高3.5m，重達(dá)50余噸，為大型空分裝置組裝式壓縮機(jī)的完全國(guó)產(chǎn)化做出了巨大的貢獻(xiàn)。

整個(gè)機(jī)組嚴(yán)格執(zhí)行API672，API613，API614，，API671，API670，API615國(guó)際通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及，AGMA6011，GB151等標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

［1］郭大剛，王延麗，張偉.螺桿壓縮機(jī)使用小議［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（24）.