一、引言

組裝式離心壓縮機又稱為組裝型整體齒輪增速式離心壓縮機,近年來在世界上發(fā)展得很快。我國對這種壓縮機的需求量很大,廣泛應(yīng)用在冶金、空分裝置、石化、制藥、動力站等各個領(lǐng)域。由于我國以前不能生產(chǎn)組裝式壓縮機,基本上都依靠進口。據(jù)初步統(tǒng)計每年進口的不同型號的這種壓縮機近100臺。我公司經(jīng)過多年的研究與開發(fā),已經(jīng)研制成功這種組裝式壓縮機并且初步形成系列,不僅在國內(nèi)市場占有一席之地,而且部分產(chǎn)品已經(jīng)銷售到國外。本文根據(jù)組裝式壓縮機的主要特點,介紹了這種壓縮機的優(yōu)點、關(guān)鍵技術(shù)和國產(chǎn)化發(fā)展趨勢等問題。

二、組裝式壓縮機的結(jié)構(gòu)特點及其優(yōu)點

與一般的單軸多級離心壓縮機不同,組裝式離心壓縮機采用了多軸多轉(zhuǎn)速、每級一冷卻、各級軸向進氣和齒輪箱、蝸殼集成在一起的結(jié)構(gòu)。

由于結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別,組裝式離心壓縮機具有一般單軸多級離心壓縮機所不能具備的優(yōu)點。

1.更接近等溫壓縮的過程

在分析壓縮機的壓縮過程時通常可以分為等溫過程、絕熱過程和多變過程,其中等溫過程的壓縮功是z*小的。當(dāng)然完全的等溫壓縮是不可能的,但可用等溫效率來衡量壓縮機的耗功,也就是說壓縮過程越接近等溫過程也就越省功,效率就越高。組裝式離心壓縮機由于采用了每級一冷卻的方式,使其實際的壓縮過程盡量接近等溫壓縮,因此這種壓縮機在相同條件下比其他形式壓縮機更省功,效率更高。

2.各級葉輪在更佳的轉(zhuǎn)速下運行

葉輪在不同的轉(zhuǎn)速下具有不同的流量系數(shù)和能頭系數(shù)。在多級離心壓縮機設(shè)計中,各級葉輪的流量系數(shù)、能頭系數(shù)、轉(zhuǎn)速、直徑等參數(shù)必須匹配,否則機組就不能在z*佳的狀態(tài)下工作。傳統(tǒng)的單軸多級離心壓縮機結(jié)構(gòu)迫使較多的葉輪必須在同一個轉(zhuǎn)速下工作,對壓縮機的性能匹配和工況范圍造成一定的影響。而組裝式離心壓縮機采用了多軸多級的方式,同一轉(zhuǎn)速下z*多只有兩個葉輪,這樣就優(yōu)化了機組的整體性能。同時由于多軸的結(jié)構(gòu),可以使每級葉輪都實現(xiàn)軸向進氣,減小進口氣流的損失,提高機組效率。

3.工況調(diào)節(jié)范圍更寬

為了使機組的工況范圍更寬,組裝式離心壓縮機在進口處安裝了葉片調(diào)節(jié)器。由于在結(jié)構(gòu)上進口調(diào)節(jié)器與葉輪進口很近,葉片調(diào)節(jié)器不僅可以通過進口節(jié)流的方式根據(jù)用戶管網(wǎng)的變化對壓縮機的壓力、流量等參數(shù)進行調(diào)節(jié),而且可以通過改變進口氣流與葉輪旋轉(zhuǎn)方向的角度(進氣預(yù)選調(diào)節(jié))改變壓縮機的功耗,真正起到節(jié)能的作用。

4.結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝方便

組裝式壓縮機的結(jié)構(gòu)非常緊湊,從剖面圖中可以看到它的蝸殼直接裝配在齒輪箱上,而且在整體布置上,是將壓縮機本體(含齒輪箱)、油箱和潤滑油系統(tǒng)、電動機甚至較小機型的中間氣體冷卻器都組裝到一個公用底座上。不僅占地面積小,而且安裝調(diào)試非常方便,基礎(chǔ)施工相對簡單,現(xiàn)場施工時間短,深受用戶歡迎。當(dāng)然,組裝式離心壓縮機也有它的不足之處:由于結(jié)構(gòu)的限制,目前z*高只能達到7～8級壓縮,當(dāng)機組壓比太大時并不適用;受結(jié)構(gòu)的限制,密封尺寸和安裝方式?jīng)Q定了暫時還不能作為石油化工企業(yè)中的原料壓縮機等。

三、組裝式壓縮機的關(guān)鍵技術(shù)

組裝式離心壓縮機具有很多的優(yōu)點,但其設(shè)計和制造相對復(fù)雜。在開發(fā)這種壓縮機時不僅要對機組的結(jié)構(gòu)進行研究和試驗,還需要對許多關(guān)鍵的單元技術(shù)進行先期或平行的研究和開發(fā)。

1.高性能的模型級基本級

是壓縮機的核心部分,也是壓縮機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù),基本級性能的高低直接影響壓縮機的整機效率。組裝式壓縮機適用的模型級以高壓小流量為主,為了提高壓比葉輪轉(zhuǎn)速很高,氣流速度接近甚至超過音速,而且流量小,流道中的摩擦損失大,流動情況復(fù)雜,需用三維粘性分析技術(shù)進行流場的模擬分析。這類跨音速的高壓小流量模型級研究的難度較大。我公司利用引進的NREC、NUMECA和國產(chǎn)氣動分析軟件對這種半開式高馬赫數(shù)的模型級做了多年的研究開發(fā)工作,先后研制了DHK-65、DHK-40模型級和NRECA1、A2、A3等基本模型級,整體性能達到了國際先進水平。

2.可靠的強度分析和振動分析

組裝式離心壓縮機是一種高速旋轉(zhuǎn)的動力機械設(shè)備,目前我公司生產(chǎn)的這種壓縮機轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到近50000r/min,葉輪圓周速度z*高的已超過450m/s。在這種情況下,旋轉(zhuǎn)部件的強度校核和機組的振動分析顯得格外重要。葉輪計算包括在離心力作用下葉輪的強度計算、葉輪在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片的位移量、葉輪孔與軸之間的過盈量及松動轉(zhuǎn)速計算等。轉(zhuǎn)子振動分析計算包括各個轉(zhuǎn)子的一階、二階、甚至三階臨界轉(zhuǎn)速計算、轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)計算、軸系的振動分析等。

3.高效換熱器

換熱器的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)不僅影響到機組的耗水量、出氣溫度,而且對機組的氣動性能也有很大的影響。我公司與西安交通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了冷卻器設(shè)計程序,結(jié)合引進技術(shù)開發(fā)出了組裝式離心壓縮機新的冷卻器系列。為了進一步提高冷卻器的換熱效率,減小冷卻器體積并大幅度降低耗水量,我公司還開發(fā)出了內(nèi)肋片式的高效冷卻器。用于本系列壓縮機,可以提高整機的氣動性能。

4.齒輪與軸承技術(shù)的研究

組裝式離心壓縮機設(shè)計時一般要求連續(xù)運轉(zhuǎn)2年或3年,每個工作軸的轉(zhuǎn)速一般都在20000～50000r/min之間,齒輪轉(zhuǎn)速比在10～20之間,齒輪周速達到120～150m/s,軸承周速也超過80m/s。這種高速比的高速齒輪和軸承在設(shè)計和制造上是有相當(dāng)難度的,因此齒輪技術(shù)的研究也是組裝式離心壓縮機的一個重要課題。

5.機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究

由于這種壓縮機具有多軸、高速旋轉(zhuǎn)的特點,同時又要求結(jié)構(gòu)布置極其緊湊,因此在研制這種壓縮機時需要解決許多結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。例如轉(zhuǎn)子各零部件的結(jié)構(gòu)造型和裝配形式都要經(jīng)過詳細的計算和試驗,既要保證零部件本身的使用功能可靠,又要考慮到旋轉(zhuǎn)零部件的應(yīng)力、應(yīng)變和轉(zhuǎn)子的振動特性、軸系的振動特性等,是一個與多學(xué)科相關(guān)的復(fù)雜問題。

四、組裝式壓縮機的國產(chǎn)化

我公司自行研究的SVK型組裝式離心壓縮機目前已經(jīng)形成系列的有SVK2、SVK4、SVK6、SVK8、SVK12、SVK16、SVK20和SVK25、SVK32等機型,可以輸送空氣和氮氣,流量范圍從2000～35000m3/h,壓縮機包括1級、2級和3級,壓比可以從1.5～11。根據(jù)用戶的不同使用條件和要求,這些壓縮機也可以被設(shè)計成為4級,壓比可以達到20左右。在SVK型組裝式離心壓縮機系列產(chǎn)品逐步完善并形成一定的生產(chǎn)能力以后,又開始研制4軸的高壓組裝式離心壓縮機。這種壓縮機z*多可以進行6級壓縮,壓比可以達到60左右。預(yù)計到2004年,這種多軸的組裝式離心壓縮機將會進入市場?，F(xiàn)已形成完整系列并已在實際中得以應(yīng)用的SVK型組裝式離心壓縮機。

五、結(jié)論

組裝式離心壓縮機具有許多優(yōu)點,但目前由于技術(shù)原因尚不能適用于所有的場合,隨著壓縮機設(shè)計和制造技術(shù)的不斷提高,它的應(yīng)用范圍也會越來越寬。我國組裝式離心壓縮機雖然起步較晚,并且到目前為止z*高只能達到4級壓縮,但近幾年已經(jīng)生產(chǎn)了60余臺機組,不僅在國內(nèi)市場占有一席之地,而且少量產(chǎn)品出口到國外。預(yù)計一年以后,國產(chǎn)的5～6級的多軸組裝式離心壓縮機即可面世,并在2～3年內(nèi)能夠達到年產(chǎn)80臺各種形式的組裝式離心壓縮機的能力,取代更多的進口設(shè)備。