多段補(bǔ)氣多軸離心壓縮機(jī)的研制

危松江

（長(zhǎng)沙賽爾透平機(jī)械有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 前言

離心式鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中占有重要的地位，可廣泛應(yīng)用于石油化工、制冷、空分、冶金、煤化工、紡織、制藥、國(guó)防等和國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，是該領(lǐng)域的核心設(shè)備，具有不可替代的作用。與容積式相比，離心式具有效率高、故障少、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。多軸離心壓縮機(jī)，作為離心式壓縮機(jī)中的一大類(lèi)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率更高，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，隨著新技術(shù)、新工藝的不斷應(yīng)用，某些行業(yè)對(duì)工藝氣體壓縮機(jī)的要求越來(lái)越高，特殊要求也越來(lái)越多。在工藝壓縮機(jī)中，會(huì)碰到中間補(bǔ)氣，甚至中間出現(xiàn)多段補(bǔ)氣的特殊壓縮機(jī)應(yīng)用。該文根據(jù)某用戶(hù)工藝參數(shù)需求，對(duì)多段補(bǔ)氣的高效離心壓縮機(jī)相關(guān)方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)用戶(hù)提供的工藝氣體參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)確定壓縮機(jī)的參數(shù)。某用戶(hù)對(duì)工藝氣體參數(shù)需求、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。各段設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 各段設(shè)計(jì)參數(shù)

2 研發(fā)的過(guò)程及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 結(jié)合氣動(dòng)確定主機(jī)布置方案

根據(jù)各段壓比，每段采用一級(jí)葉輪就能滿足壓力的需求。各段進(jìn)口流量都比較小且各段流量不同，多軸齒式壓縮機(jī)適合小流量壓縮機(jī)，各級(jí)葉輪能根據(jù)流量和壓比匹配不同的轉(zhuǎn)速，使各級(jí)效率最高。綜合以上，擬采用三級(jí)多軸齒式壓縮機(jī)，每級(jí)進(jìn)口均帶有進(jìn)口預(yù)旋器調(diào)節(jié)流量，相當(dāng)于三個(gè)單級(jí)壓縮機(jī)的串聯(lián)組合。主機(jī)結(jié)構(gòu)布置對(duì)比方案如圖1所示。

圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)布置對(duì)比方案

主機(jī)結(jié)構(gòu)布置方案1與方案2的區(qū)別就是1級(jí)與2級(jí)同軸還是2級(jí)與3級(jí)同軸，通過(guò)比較2級(jí)采用不同的轉(zhuǎn)速（與1級(jí)同轉(zhuǎn)速或者與3級(jí)同轉(zhuǎn)速）計(jì)算，以及2級(jí)與3級(jí)具有差不多的壓比值，綜合起來(lái)最終鎖定布置方案2。

2.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)-軸承分析、計(jì)算和優(yōu)化，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行極為關(guān)鍵，直接影響機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行的周期和使用的壽命。多軸離心壓縮機(jī)機(jī)組，由一級(jí)高速轉(zhuǎn)子、二三級(jí)高速轉(zhuǎn)子及大齒輪轉(zhuǎn)子組成。各轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較高，高速軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都在兩萬(wàn)多轉(zhuǎn)。大小齒輪嚙合、各轉(zhuǎn)子的耦合增大了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算難度。

軸承分析軟件采用“CMD-Bearing滑動(dòng)軸承性能計(jì)算軟件”，計(jì)算壓縮機(jī)各軸承在不同轉(zhuǎn)速下的剛度和阻尼性能。大齒輪軸為剛性轉(zhuǎn)子，支撐軸承可以選用圓瓦、橢圓瓦、錯(cuò)位瓦等。通過(guò)對(duì)比計(jì)算，該次選用具有較大剛度和阻尼的錯(cuò)位瓦軸承，而且其、方向的交叉剛度和阻尼相等，使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)軸心軌跡趨向于圓心軌跡，對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有好處。而大齒輪的推力軸承由于推力較小、結(jié)構(gòu)比較緊湊，選用較簡(jiǎn)單的面推力軸承。高速軸轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)速高，載荷比較小，一般選用可傾瓦軸承?？蓛A瓦軸承又分為4塊瓦和5塊瓦兩種，而且可以根據(jù)載荷和轉(zhuǎn)速選用不同的間隙比、不同的寬徑比、不同的預(yù)負(fù)荷，結(jié)合轉(zhuǎn)子-軸承動(dòng)力學(xué)計(jì)算，確定一級(jí)、二三級(jí)徑向軸承的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

動(dòng)力學(xué)分析軟件采用“CMD-Rotor轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件”，其工程精度高、計(jì)算效率高。根據(jù)表3軸承參數(shù)計(jì)算各轉(zhuǎn)子在單獨(dú)和耦合狀態(tài)下的各階臨界轉(zhuǎn)速、各階陣型，同時(shí)在各階臨界轉(zhuǎn)速下計(jì)算出轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)大小，依此通過(guò)調(diào)整軸系以及軸承參數(shù)可以?xún)?yōu)中選優(yōu)，選擇最穩(wěn)定可靠的軸系和軸承方案。一級(jí)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速以及在臨界轉(zhuǎn)速下的不平衡響應(yīng)圖如圖2、圖3所示。

圖2 一級(jí)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

圖3 臨界轉(zhuǎn)速下不平衡響應(yīng)圖

表3 一級(jí)、二三級(jí)徑向軸承計(jì)算結(jié)果

壓縮機(jī)各轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，計(jì)算結(jié)果滿足壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)API617要求。

表4 壓縮機(jī)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果

2.3 主機(jī)結(jié)構(gòu)

多軸離心壓縮機(jī)，主要是由齒輪箱、軸承、蝸殼、隔板、導(dǎo)流器、轉(zhuǎn)子組以及進(jìn)口預(yù)旋調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等組成。該次主機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖設(shè)計(jì)如圖4所示。一段氣體從進(jìn)口預(yù)旋器進(jìn)入第一級(jí)葉輪，經(jīng)一級(jí)葉輪壓縮后提高壓力，并進(jìn)入一級(jí)擴(kuò)壓器中，氣體流速降低，壓力再一次升高，而后由蝸殼匯集，隨排氣管流出，由氣體冷卻器冷卻，隨后與二段進(jìn)氣混合，再進(jìn)入二級(jí)葉輪壓縮，同樣收集二級(jí)出口氣體，經(jīng)冷卻后與三段氣體混合，然后再進(jìn)入三級(jí)葉輪壓縮，依次循環(huán)至完成要求。

圖4 主機(jī)

進(jìn)口預(yù)旋調(diào)節(jié)器（IGV）安裝在每級(jí)葉輪進(jìn)口前面，通過(guò)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，以此改變進(jìn)口氣流預(yù)旋角度，控制各級(jí)葉輪的流量。與傳統(tǒng)的靠調(diào)整進(jìn)風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式相比，節(jié)流損失小，可節(jié)能降耗5%。調(diào)節(jié)范圍更寬，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)在70%～105%范圍內(nèi)高效運(yùn)行，對(duì)恒轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，尤其適用。

2.4 機(jī)組氣路流程布置

多段補(bǔ)氣壓縮機(jī)常規(guī)的氣路流程布置是把壓縮機(jī)的每段當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的壓縮機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，典型氣路流程布置，如圖5所示。

按照常規(guī)壓縮機(jī)串聯(lián)布置，常規(guī)均會(huì)采用如圖5所示的流程，但通過(guò)分析，圖5流程有一個(gè)弊端。如果一段氮?dú)饬髁繃?yán)重不足，一級(jí)防喘振閥會(huì)打開(kāi)，造成二級(jí)入口流量也不足，二級(jí)防喘振閥也打開(kāi)，同樣造成三級(jí)入口流量也不足，三級(jí)防喘振發(fā)也打開(kāi)。也就是說(shuō)前段防喘振會(huì)影響后段的防喘振，如果碰上工況變化比較大的場(chǎng)合，三個(gè)防喘振閥會(huì)頻繁且同時(shí)動(dòng)作，會(huì)給壓縮機(jī)運(yùn)行帶來(lái)較大的安全隱患。所以在這個(gè)流程的基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)改進(jìn)了流程，改進(jìn)氣路流程布置，如圖6所示。

圖5 典型氣路流程布置圖

圖6 改進(jìn)后的氣路流程布置圖

改進(jìn)的氣路流程布置，壓縮機(jī)各段的防喘振均從末級(jí)回流，這樣前段即使入口流量不夠，防喘振閥操作后回流后的流量會(huì)進(jìn)入后段，不會(huì)對(duì)后段流量造成大的影響，不會(huì)影響后段的防喘振操作。前期設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了在末級(jí)出口配置了放空閥，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)分析認(rèn)為，按上述配置的防喘振流程，壓縮及正常的操作沒(méi)有問(wèn)題，但在壓縮機(jī)緊急停車(chē)時(shí)，由于一段出口與二段補(bǔ)氣管網(wǎng)是聯(lián)通的，二段出口與三段補(bǔ)氣官網(wǎng)聯(lián)通，急停時(shí)，一段和二段的出口不能快速卸壓，會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成損壞。因此在一段出口和二段出口多增加了一段放空閥和二段放空閥，三個(gè)放空閥出口一起接入放空消音器。

2.5 機(jī)組撬裝設(shè)計(jì)及整體布置

壓縮機(jī)機(jī)組包括壓縮機(jī)、電機(jī)、中間冷卻器、稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、儀表以及壓縮機(jī)的控制體系統(tǒng)。為盡量節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)廠房的占地面積，布置更緊湊、節(jié)約土建成本，把壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)撬裝在一起，冷卻器和復(fù)雜的管路系統(tǒng)布置撬裝塊的兩側(cè)。優(yōu)化后機(jī)組的整體布置如圖7所示。

圖7 機(jī)組的整體布置圖

3 結(jié)論

該文結(jié)合氣動(dòng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化使主機(jī)結(jié)構(gòu)更加合理。運(yùn)用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件和軸承計(jì)算軟件確定壓縮機(jī)的軸系與軸承，保證了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)流程分析比較確定最有利于安全運(yùn)行的氣路流程。采用撬裝布置減少了用戶(hù)土建等成本投入。匯總形成了整套機(jī)組的最終設(shè)計(jì)方案，并成功完成了首臺(tái)“多段補(bǔ)氣”電動(dòng)多軸離心式壓縮機(jī)組的研制。產(chǎn)品樣機(jī)目前已經(jīng)通過(guò)了廠內(nèi)驗(yàn)收，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)均小于20μm，軸承溫度均低于70℃，待現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。多段補(bǔ)氣多軸離心壓縮機(jī)的研制提高了公司在工藝壓縮機(jī)領(lǐng)域的研制能力，拓展了公司的產(chǎn)品市場(chǎng)領(lǐng)域。