沈忠仁 張彩霞 佟玲/中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司

小流量高壓比離心式硫化氫壓縮機的設計與制造

沈忠仁 張彩霞 佟玲/中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司

0 引言

離心式硫化氫壓縮機用于蛋氨酸生產(chǎn)線上壓縮硫化氫氣體，以滿足蛋氨酸生產(chǎn)的需要。近年來，國內(nèi)外市場對蛋氨酸的需求逐年增長，特別是國內(nèi)市場，多年來國產(chǎn)飼料用蛋氨酸遠遠不能滿足市場需求，每年都要從國外大量進口，現(xiàn)已成為我國化學原料進口的大宗產(chǎn)品，每年進口量高達20萬噸。我國原有的蛋氨酸生產(chǎn)線均為由國外進口的往復式壓縮機，設備運行成本高，氣體輸出壓力不穩(wěn)定。而離心式壓縮機具有高效節(jié)能、運行穩(wěn)定等特點，所以離心式硫化氫壓縮機的研制符合國內(nèi)外市場的需求趨勢，市場前景廣闊。

1 離心式硫化氫壓縮機的設計

1.1 設計參數(shù)

氣體組分：H2S 96.43％，CS21.0％，CH41.0％，H21.0％，COS 0.05％，N20.5％，O20.01％，H2O≤100PPM。

入口壓力：0.25MPa（G），入口溫度：303K；

出口壓力：1.5MPa（G），溫度：不要求；

排氣量：3 300Nm3/h。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

由以上參數(shù)要求，初步選定壓縮機為二段五級結(jié)構(gòu)，第一段共三級，第二段共二級。

第一段共三級，第1級采用入口導流器+葉輪+葉片擴壓器；第2級采用葉輪+葉片擴壓器+串列回流器；第3級采用串列回流導流器+葉輪+無葉擴壓器。

第二段共二級，每一級：葉輪+無葉擴壓器+單葉回流器。

離心式硫化氫壓縮機主要由缸體、隔板、轉(zhuǎn)子、氣封和前后軸承等部分組成。壓縮機整體結(jié)構(gòu)為垂直剖分形式，單缸二段五級結(jié)構(gòu)。氣體經(jīng)一級和二級壓縮后經(jīng)彎道及回流器進入三級葉輪，在三級出口經(jīng)由蝸殼及出口進入氣體冷卻器，冷卻后進入四級及五級，最后經(jīng)五級出口蝸殼排出。為了避免缸體泄漏，缸體結(jié)構(gòu)設計成整體筒形垂直平分結(jié)構(gòu)型式。

1.3 對硫化氫壓縮機各級進行優(yōu)化設計

為了實現(xiàn)小流量高壓比又節(jié)能的離心式硫化氫壓縮機的設計，對壓縮機轉(zhuǎn)子、擴壓器及導流器主要進行如下的氣動優(yōu)化設計：

1.3.1 葉輪設計，采用了輪蓋流道側(cè)有2°傾角，提高葉輪效率；子午面型線對小流量系數(shù)基本級性能影響很大，寬度較窄的葉輪堵塞效應更嚴重，因此采用較寬的子午通道寬度對提高小流量系數(shù)離心基本級性節(jié)能效果明顯。

1.3.2 盡量減小擴壓器出口直徑，有效減小氣流在擴壓器中的摩擦損失，提高級效率。

1.3.3 在前二級中采用了低稠度葉片擴壓器（如圖1），將葉片擴壓器布置在D3=530mm處，可以減小葉輪出口不穩(wěn)定氣流對葉片擴壓器的影響，又能提高效率。這是最新研究成果。

圖1 低稠度葉片擴壓器圖

1.3.4 由于硫化氫壓縮機流量很小，為了擴大流量調(diào)節(jié)范圍防止喘振，回流器采用串列結(jié)構(gòu)回流器（見圖2）。

圖2 串列回流導流器圖

通過以上技術(shù)設計總體提高壓縮機效率，優(yōu)化級與級和段與段之間的耦合匹配，提高壓縮機整機效率，實現(xiàn)了小流量高壓比的離心式硫化氫壓縮機的設計工作。

2 離心式硫化氫壓縮機的制造

離心式硫化氫壓縮機是高速轉(zhuǎn)動機械，工藝介質(zhì)為有毒有害的硫化氫氣體，流量為3 300Nm3，工作壓力為1.5MPa,工作溫度達255℃，屬于高壓比、小流量機型，機組流道非常窄小，給加工帶來了一定難度。離心壓縮機級中流道內(nèi)，氣體流動是很復雜的，在運轉(zhuǎn)過程中總會有一定的能量損失，這些損失大致分為：摩阻損失、分離損失、沖擊損失、二次渦流損失和尾跡損失等；在壓縮機的結(jié)構(gòu)設計已經(jīng)確定后，無論是加工質(zhì)量還是裝配質(zhì)量對機器性能及效率都有很重要的影響。

2.1 轉(zhuǎn)子的加工

轉(zhuǎn)子是離心式壓縮機的做功原件，轉(zhuǎn)子的加工精度直接影響機組的性能指標。此機組轉(zhuǎn)子由主軸、五個葉輪、推力盤、平衡盤及軸套組成，葉輪由輪盤和輪蓋組成，采用閉式銑制葉片焊接結(jié)構(gòu)，葉片銑在輪蓋上，輪盤銑制塞焊槽后與輪蓋焊接為一體；材料為OCr17Ni4Cu4Nb，此材料屬于沉淀硬化馬氏體不銹鋼，它具有高強度、硬度和耐腐蝕等特性，但機械性能要通過熱處理后才能實現(xiàn)。由于此機組屬于高壓比、小流量機型，這樣葉輪的流道口寬度很窄，尤其是第五級流道出口寬度為3.3mm，葉輪加工后流道修復很困難，為了減少磨擦損失，葉輪內(nèi)表面進行高精度加工，即全部采用數(shù)控機床加工，表面精度很高。此鋼種在焊接及熱處理過程中變形很大且容易表面氧化，針對這一點，我們主要采取了以下措施：

①輪盤、輪蓋加工后，用葉輪研磨胎研磨輪盤、輪蓋貼合部分，使研后自由狀態(tài)下間隙為0.1mm；②輪盤和輪蓋焊接時在葉道內(nèi)加入變形防止劑和表面整形劑，防止焊接變形，提高表面光潔度；③用葉輪組焊胎將輪盤、輪蓋固定，焊接前預熱，焊后進行消除應力處理；④葉輪整體調(diào)質(zhì)處理，為防止葉輪在調(diào)質(zhì)過程中變形，先不要去除葉輪在焊接過程中填充在流道內(nèi)的變形防止劑和表面整形劑；⑤為防止表面氧化，葉輪焊后均采用真空熱處理。

2.2 隔板的加工

隔板由擴壓器和回流器組成。隔板的加工精度對壓縮機的性能有很大的影響。

隔板的制造過程分為四個階段：（1）葉片和隔板體等的加工；（2）葉片與隔板體的接合；（3）隔板部的加工；（4）強度試驗和檢驗。整個制造過程，其中心工作是葉片與隔板體的結(jié)合，隔板上下兩半的接合，以及隨后的機械加工。為了保證隔板的精度要求，我們通過工裝定位，保證了各接合處間隙以及隔板軸向、徑向定位基準面的精度；利用數(shù)控機床加工葉片及流道，保證加工表面質(zhì)量；裝配時用工裝保證隔板各進出口處定圓與隔板中心線同心；各零件組合拼裝后精加工達圖紙設計要求。

2.3 轉(zhuǎn)子的裝配

離心式硫化氫壓縮機工作轉(zhuǎn)速達12 500r/min，轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量對機組性能有很重要的影響。轉(zhuǎn)子有三種裝配方法：壓套、烘套和冷套。壓套的過盈量為軸頸的0.07～0.08％；冷套需用液氮等制冷劑來冷縮主軸軸頸，目前很少使用；烘套是將葉輪加熱，以使孔徑脹大，然后套裝到軸上，見圖3。離心式硫化氫壓縮機轉(zhuǎn)子主要由主軸、葉輪、止推盤及軸套組成，五個葉輪與主軸的過盈量為0.34～0.40mm，轉(zhuǎn)子采用烘套的裝配方法更為可行。

加熱溫度取決于工件尺寸和過盈量：

圖3 離心式硫化氫壓縮機轉(zhuǎn)子

式中i為直徑最大過盈量，μm；△為套裝時所需間隙，μm；△=（0.5～1.0）i；d為孔的名義直徑，mm；t0為室溫，℃；k為材料的線膨脹系數(shù)。

測量時采用內(nèi)徑量規(guī)，其尺寸應等于d+i+△。也可在加熱時直接測量孔徑，使其大于軸徑0.15～0.2mm。

烘套時要保證所規(guī)定的熱間隙，可在烘套時在端面之間放若干張0.1mm厚的薄紙，待工件冷卻后把薄紙除去。熱間隙在圓周方向的四個相對位置用塞尺檢驗。零件烘套到軸上之后，用壓縮空氣使其迅速冷卻，此時應保證套合零件不產(chǎn)生位移，待完全冷卻后才烘套下一零件。

轉(zhuǎn)子裝配過程中注意要先將定位工裝裝好，用機床加工定位面保證定位要求，首先組裝三、四級間葉輪定位套，再組裝三、四級兩個葉輪及相鄰軸套，裝好后，在車床上測量振擺合格后做動平衡，動平衡合格后再依次裝其余葉輪及其它零件，每裝一個葉輪都要重復上序過程，直到整個轉(zhuǎn)子裝配完成后，做轉(zhuǎn)子整體幾何精度檢測并做動平衡，保證達到轉(zhuǎn)子技術(shù)要求。

3 離心式硫化氫壓縮機現(xiàn)場運行結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化設計后的機組于2014年6月在用戶現(xiàn)場開車成功，與計算結(jié)果基本一致，運行數(shù)據(jù)如表1所示：

硫化氫壓縮機的流量：3 300Nm3/h，壓縮機實際運行功率約425kW。

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為了提高硫化氫壓縮機運行的經(jīng)濟性和可靠性，根據(jù)技術(shù)參數(shù)及加工制造經(jīng)驗，對小流量高壓比離心式壓縮機轉(zhuǎn)子、擴壓器和導流器進行了氣動優(yōu)化設計，優(yōu)化級與級和段與段之間的耦合匹配；在機組加工制造中，主要介紹了關(guān)鍵特殊部件的加工解決方案，如由于葉輪出口比較狹窄，在葉輪焊接上采取了填充變形防止劑和表面整形劑防止焊接變形，葉輪焊后均采用真空熱處理來防止氧化；通過工裝定位及數(shù)控加工保證了隔板的加工精度。壓縮機實際運行功率約425kW，實現(xiàn)了節(jié)能的小流量高壓比的離心式硫化氫壓縮機的設計與制造。

離心壓縮機；硫化氫；結(jié)構(gòu)設計；優(yōu)化設計；轉(zhuǎn)子裝配；轉(zhuǎn)子加工

Design and Manufacture of Centrifugal Hydrothion Compresser with Low Flow and High Pressure Ratio

Shen Zhongren，Zhang Caixia，Tong Ling/ AVIC Liming Jinxi Chemical Machinery (Group)Co.,Ltd

centrifugalcompressor；Hydrothion；structural design；optimization design；rotor assembly；rotor manufacture

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）06-0049-04

10.16492/j.fjjs.2015.06.0121

2015-03-24遼寧省葫蘆島市125001

Abstract:In order to increase economy and reliability of hydrothion compressor in operation,theaerodynamicoptimization designofcompressorrotor，diffuser andfluid director was carried out，and also includethecoupling-matchingbetween stage and section.In the manufacture of compressor,themanufacturemethodof important and special parts was introduced. Such as using deformation prevention agent and surface shaping agent inimpeller welding to prevent welding distortion；To prevent oxidation after impeller welding we usingvacuumheattreatment;The machining accuracy of the separators were ensured by the means of locating and NC machining.The actual operating power of the compressor was about 425kW,So that an energy-saving hydrothion centrifugal compressor was realized by using these design and manufacture methods.