大型組裝式壓縮機(jī)排氣蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

組裝式空分壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)相對簡單，軸向進(jìn)氣，進(jìn)氣室效率高，優(yōu)化空間有限，葉輪基本級各廠家經(jīng)過多年的發(fā)展，葉輪的級效率已經(jīng)很難再提高，細(xì)微的提升對機(jī)組的效率影響很小，因此只能著重優(yōu)化定子件，提高機(jī)組效率。蝸殼是整個定子件中最為重要，對效率影響最大的部件，他的主要作用是將從擴(kuò)壓器或者葉輪（無擴(kuò)壓器時）排出的氣體匯集起來，引到機(jī)外輸氣管道或者冷卻器中去，并起到擴(kuò)壓作用，將300～380m/s的動能大部分轉(zhuǎn)化成壓力能。對應(yīng)組裝式壓縮機(jī)，蝸殼的大小對機(jī)組的成本有著至關(guān)重要的作用。本文主要對組裝式壓縮機(jī)蝸殼進(jìn)行研究，提高效率，降低外徑。

1項(xiàng)目背景

對于組裝式空壓機(jī)，其蝸殼只有早期有部分焊接蝸殼，其余均為鑄造蝸殼。鑄造蝸殼易于系列化，氣體流動效果好。傳統(tǒng)的鑄造蝸殼有兩種形式，一種流道為橢圓結(jié)構(gòu)，一種流道為圓形結(jié)構(gòu)，流道為橢圓結(jié)構(gòu)時，蝸殼的外徑小，對于組裝式壓縮機(jī)來說，不僅僅是蝸殼重量的減小，蝸殼成本的減少，更為重要的是齒輪箱中心距的減小，橢圓蝸殼結(jié)構(gòu)的中心距較圓型結(jié)構(gòu)減少約7%的齒輪箱中心距，齒輪箱箱體成本，齒輪對成本均下降。圓型蝸殼相對來說流動效率要好，比橢圓型蝸殼要高0.5%左右，但是外徑大，蝸殼成本高，齒輪箱中心距大。兩種蝸殼均有一個共同的特點(diǎn)，就是等基圓，通過長為1.8倍的葉輪直徑擴(kuò)壓器后，進(jìn)入蝸殼，1.8倍葉輪直徑為蝸殼的基圓。

2 項(xiàng)目內(nèi)容

蝸殼基圓及截面型線確定蝸殼對壓縮機(jī)的效率影響非常大，一個好的蝸殼和一個不合理的蝸殼，效率會相差到兩個百分點(diǎn)甚至更多。傳統(tǒng)的焊接機(jī)殼，其蝸室為方形，各截面面積是根據(jù)老的單軸離心機(jī)排氣蝸室設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行規(guī)劃，沒有進(jìn)行過詳細(xì)的氣動分析。蝸殼的截面積是通流效率的有利保證，為了降低蝸殼的外徑，主要需要改變的就是蝸殼的基圓，如何降低基圓直徑成為研究的重點(diǎn)，經(jīng)過大量的CFD對比分析計(jì)算(如圖1)，將等基圓外置蝸殼，改成變基圓內(nèi)置蝸殼，即蝸殼的基圓直徑是變化的，而且均小于1.8倍的葉輪直徑，在通過擴(kuò)壓器進(jìn)入蝸殼時，蝸室向內(nèi)收斂（如圖2）。

圖1 蝸殼整體流場分析

圖2 360度截面流場

蝸殼出風(fēng)口設(shè)計(jì)：首先通過流速確定出風(fēng)口直徑：計(jì)算壓縮機(jī)蝸殼出風(fēng)口氣流速度，是以額定工況的出口容積流量和出口法蘭截面的實(shí)際直徑進(jìn)行計(jì)算。出口氣流流速V=Q/(3600 X S)式中：S=πX D X D/4。對于空壓機(jī)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范，出口速度推薦值V：≤40m/s，最大不超過45m/s。其中：V：蝸殼出口法蘭處流速，單位m/s；Q：蝸殼出口法蘭處容積流量，單位m3/h；S：蝸殼出口法蘭處截面積，單位m2；D：蝸殼出口法蘭處直徑，單位m；π：圓周率在具體設(shè)計(jì)中，如果空間位置允許的情況下，應(yīng)盡量降低出口流速，以確保機(jī)組效率。出口速度推薦值V：38m/s，最大盡量不超過42m/s。出風(fēng)筒設(shè)計(jì)時，在滿足流速的同時，要保證出口法蘭截面和360°截面之間的過渡角即出口擴(kuò)張角小于9°，即出風(fēng)筒的長度要足夠，擴(kuò)張角不能太大。

蝸殼材料選擇：出于成本等方面的考慮，蝸殼材料應(yīng)該有高、低兩種配置，在壓力較低時，即使在水壓試驗(yàn)壓力下，蝸殼的強(qiáng)度也非常好，應(yīng)力較小。因此，蝸殼材質(zhì)可以選用成本相對低一些的，比如球墨鑄鐵或者灰鑄鐵。球墨鑄鐵材質(zhì)機(jī)械性能優(yōu)于灰鑄鐵HT250，成本與之相差不大，遠(yuǎn)低于鑄鋼材料（ZG230-450），因此低壓時，蝸殼材質(zhì)采用QT400-18。出口法蘭厚度大于標(biāo)準(zhǔn)法蘭厚度并圓整，預(yù)留鑄造余量，在選擇法蘭標(biāo)準(zhǔn)時，要充分考慮到溫度對法蘭強(qiáng)度的影響。當(dāng)壓力較高時（如圖3），比如排氣壓力大于40bar時，水壓試驗(yàn)壓力一般為工作最高壓力的1.5倍，試驗(yàn)壓力較高，考慮到結(jié)構(gòu)空間限制及齒輪箱中心距等成本要求，蝸殼厚度不能無限加大，因此，蝸殼材料可考慮采用ZG230-450，提高蝸殼強(qiáng)度。

圖3

蝸殼技術(shù)要求：（1）鑄件應(yīng)符合JB/T6887-2004技術(shù)條件。（2）鑄件應(yīng)做消除內(nèi)應(yīng)力處理。（3）鑄件應(yīng)徹底清除毛刺、沙粒等，鑄件表面要求光滑。（4）未注鑄造圓角R10。（5）尺寸自由公差達(dá)到GB/T6414-1999 CT11級。（6）蝸殼鑄造后，流道進(jìn)行修磨，表面粗糙度達(dá)到GB/T6060.1-1997 Ra25。其中增加第f條，在成本影響不大的情況下，提高了蝸殼的效率，保證了機(jī)組性能的實(shí)現(xiàn)。

蝸殼支撐：當(dāng)蝸殼重量大于30噸時，由于蝸殼較重，且蝸殼懸掛在齒輪箱上，因此蝸殼重量會對齒輪箱強(qiáng)度及變形量帶來較大的影響，蝸殼特別重時，齒輪箱止口位置變形量會達(dá)到3mm以上，并且影響葉輪的型環(huán)間隙：型環(huán)間隙會出現(xiàn)偏心，對機(jī)組的氣動性能及運(yùn)轉(zhuǎn)的安全穩(wěn)定等方面，都會帶來不良影響，為了降低蝸殼較重時帶來的不良影響，需要在蝸殼下部增加彈性支撐，彈性支架數(shù)據(jù)根據(jù)機(jī)殼重量，熱位移等數(shù)據(jù)計(jì)算，支撐具體位置根據(jù)管路走向而確定，增加支撐，彈簧支架直接坐在底座上，不需要額外增加基礎(chǔ)。

蝸殼內(nèi)表面處理：由于蝸殼鑄造時表面容易凸凹不齊，會影響機(jī)組的性能，因此需要對蝸殼內(nèi)表面進(jìn)行處理，可采用特殊工藝手段。通過專門設(shè)計(jì)10：1比例的小蝸殼，分別對流道內(nèi)表面不處理，表面固溶，表面拋光等工藝手段，分別做性能對比試驗(yàn)，從而驗(yàn)證出在成本增加很小的情況下，提高蝸殼表面光潔度，蝸殼效率可以提高1%左右。

3 結(jié)語

模型級的效率每個廠家提升到了自己的較高水平，再有所提高很困難，因此，全新蝸殼的開發(fā)成功，提高了機(jī)組效率，降低了機(jī)組成本，從而提高了機(jī)組的整體競爭力，在每年約30個億的國內(nèi)空分壓縮機(jī)市場中一定會得到更優(yōu)異的表現(xiàn)。