于長猛齊智勇關(guān)麗超/沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司

M TO裝置中離心主風(fēng)機組底座改進設(shè)計

于長猛齊智勇關(guān)麗超*/沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司

針對主風(fēng)機熱膨脹量大的特點，采用了撓性支架。通過選取合理的力學(xué)模型,校核支架強度和穩(wěn)定性，與此同時還改進了滑銷系統(tǒng)的設(shè)計。其結(jié)果滿足了主風(fēng)機熱膨脹量大的要求，并且優(yōu)化了底座結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

MTO裝置；離心式壓縮機；主風(fēng)機組；底座；設(shè)計

0 引言

MTO裝置是以煤或天然氣為原料制甲醇，再由甲醇制低碳烯烴[1]的裝置。其中丙烯的制備系統(tǒng)，主要由進料氣化和產(chǎn)物分離系統(tǒng)、反應(yīng)和再生系統(tǒng)[2]、空氣系統(tǒng)和再生煙氣能量回收及排放系統(tǒng)等組成。主風(fēng)機就是空氣系統(tǒng)里面的核心設(shè)備，主要作用是為反應(yīng)—再生系統(tǒng)提供助燃空氣、催化劑輸送空氣。為了充分利用熱能，減少設(shè)備投資，主風(fēng)機壓縮機級間不設(shè)置冷卻器，空氣進入壓縮機，經(jīng)過一段壓縮，由進口的常溫壓縮至出口的200～240℃之間，出口溫度過高導(dǎo)致機組膨脹量非常大。某研究所現(xiàn)場壓縮機由于出口溫度過高，機組殼體的膨脹量達(dá)到1.3mm，導(dǎo)致開機時，壓縮機主軸與機組膨脹不一致，以致于機組振動過大，不能正常運行。為了更好地吸收機組的熱膨脹量，在機組的自由端設(shè)置了撓性支架以及新的滑銷系統(tǒng)，并且進行了力學(xué)校核。

1 主風(fēng)機組特點

主風(fēng)機一般設(shè)計為電機加齒輪箱驅(qū)動，機組簡圖見圖1。

圖1機組簡圖

圖1 中機組布置從左到右依次為電機、齒輪箱和壓縮機，三者組成了主風(fēng)機壓縮機組。其中電機和齒輪箱的溫度較低，熱膨脹對軸系的影響在這里不作為主要考慮因素。

以某三套MTO裝置主風(fēng)機壓縮機組為例，三套機組的壓縮機組具體如表1所述。

表1 機組基本參數(shù)表

壓縮機的膨脹死點一般設(shè)置在離機組安裝基準(zhǔn)線較近的底座支架橫鍵與導(dǎo)向豎鍵連線交點位置，而遠(yuǎn)離安裝基準(zhǔn)線的一端稱為自由端，具體見圖2、圖3。

圖2 壓縮機圖

圖3 死點布置圖

這樣缸體由死點向自由端膨脹，經(jīng)計算，三臺機組缸體膨脹量如圖4所示，圖4所示的機組缸體膨脹量數(shù)值在1.8～2.6mm之間，考慮到極限溫度260℃，機組膨脹量會增至2.0～2.9mm。傳統(tǒng)的底座是四個剛性支架，機組就位在四個剛性支架，如圖5所示。當(dāng)機組自重過大時，自由端支座與機組貓爪摩擦力大，影響機組向自由端膨脹。在機組啟車過程中，如果機組沒有預(yù)熱好，急啟急停，機組兩側(cè)軸承位置振動容易加大，最終停車，嚴(yán)重時損壞機組軸承。

圖4 機組膨脹量圖

圖5 常規(guī)支架安裝圖

為了解決殼體膨脹問題，減小自由端支座和貓爪之間的摩擦力，現(xiàn)將自由端的剛性支座改為撓性支座，自由端的導(dǎo)向鍵由原先的只能沿上下方向滑動改為既可以上下又可以沿軸向滑動，撓性支座安裝效果與導(dǎo)向鍵的修改具體見圖6。

圖6 撓性支架安裝圖

2 撓性支座設(shè)計

如圖7所示，整個機構(gòu)有機殼、底座、支架和擋板。其中機殼和底座與支座對應(yīng)位置各加工了一個轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上加工了可以連通的孔，并與擋板中間注油脂孔相連，這樣就可以在機組運行時，充入潤滑油脂，使得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動更加順滑；支座上下各有一個圓孔，為了增加硬度，在圓孔內(nèi)部在增加一個材料更好的圓環(huán)作為軸套使用；擋板的作用就是固定支架與轉(zhuǎn)軸。機組實際運行產(chǎn)生膨脹，支座的上下兩個轉(zhuǎn)軸就會沿著機組膨脹方向轉(zhuǎn)動（如圖8所示），機組的底座吸收了機組的熱膨脹，有效的規(guī)避了熱膨脹的惡劣影響。

圖8 撓性支架實際運行示意圖

為了選取合適的撓性支架，就要對其進行力學(xué)校核。底座受力主要來自機組本身自重、轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)帶來的動擾力、管道安裝時殘余的管道合力與力矩。

計算各個方向的合力：

以MCL1005為例，建立如圖9的坐標(biāo)系，x軸為垂直機組水平剖分面方向，z軸為機組軸向，y軸位于水平面，與XZ平面垂直。壓縮機受力見表2。

圖9 受力坐標(biāo)圖

表2 機組受力數(shù)值表

1）強度校核

如表2，豎直方向受力最大，支架豎直方向的截面最小，如果豎直方向的強度滿足要求，則整個支架強度就能滿足要求。

圖10 Fx，M導(dǎo)向鍵作用點示意圖

如圖10所示，F(xiàn)x作用點位于機組重心位置，與支座位置偏心，可以把支座簡化成偏心壓桿。受力如圖11所示，設(shè)支座中心為原點，x軸、y軸、z軸與壓縮機受力坐標(biāo)一致。合力的作用點是坐標(biāo)(xF，yF，zF)，將合力F向支座簡化，將得到支座的壓力F，和作用在xz平面內(nèi)的彎曲力偶My，作用在xy平面內(nèi)的彎曲力偶Mz[3]。

圖11 支座受力坐標(biāo)圖

式中Wy為抗彎截面系數(shù)，

A是截面面積，為A=bh（6）

其中b為支座寬，b為支座長，取b=50mm，h= 300mm，綜合式（4）、（5）、（6）得出，安全系數(shù)1.3，材料使用Q345R，得出，滿足強度要求。

支座上下各有一個孔，核算孔的剪切應(yīng)力，

2）穩(wěn)定性校核

從圖10右圖看，可以把支座簡化成兩端固定的壓桿，首先計算柔度

其中：λ為壓桿柔度；μ為壓桿的長度因數(shù)，支座為兩端固定，μ取值0.5；l為壓桿長度，取值1 000mm；i為截面的慣性半徑。

取b=50mm，由式（9）、（10）計算得出λ=34.6。

支座材料為Q345R，屬于優(yōu)質(zhì)碳鋼，則a= 461MPa，c=2.56MPa，σs=306MPa[4]

3 滑銷系統(tǒng)的設(shè)計

和常規(guī)機組一樣有四處滑銷，其中靠近機組安裝基準(zhǔn)線附近有兩處橫向鍵和一處豎向?qū)蜴I，構(gòu)成了機組的死點，自由端由常規(guī)機組的豎向?qū)蜴I改為橫向?qū)蜴I，這樣就能保證機組沿著軸向自由膨脹。

為了保證撓性支架的強度要求，自由端的導(dǎo)向鍵還要抵消z軸扭矩，需要對其進行強度分析，其受力如圖10所示。

4 結(jié)論

綜上所述，通過將自由端的剛性支架改進成撓性支架，豎向?qū)蜴I改進成橫向?qū)蜴I，減少了機組貓爪與支架之間的摩擦力，增強了橫向膨脹的導(dǎo)向，更加有利于機組的膨脹。將支架簡化成偏心壓桿，建立了合理的力學(xué)模型，可以應(yīng)用到現(xiàn)有支架的強度簡單校核。校核撓性支架強度時，雖然只考慮管口應(yīng)力1倍API標(biāo)準(zhǔn)，但是對實際很有意義的，因為實際管道設(shè)計時為了節(jié)約成本，往往管口應(yīng)力大于1倍API標(biāo)準(zhǔn)，通過本文中選取的公式進行簡單的核算。

[1]姜妍，左成柱.60萬t/a甲醇制烯烴（MTO）裝置產(chǎn)品氣壓縮機研制[J].通用機械，2012（5）：58-59.

[2]張善全.MTO技術(shù)的發(fā)展情況及工藝簡介[J].內(nèi)蒙古石油化工，2006（11）：52-53.

[3]王守新.材料力學(xué)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2004.

[4]成大先主編.機械設(shè)計手冊[M].第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

Foundation Improvement Design for Centrifuga l Main Air Blower of MTO Project

Yu Changmeng,Qi Zhiyong,Guan Lichao, Yang Yang,Li Zhizhuo,Jin Xing/Shenyang BlowerWorksGroup Corporation

Aiming at the large thermal expansion of main air blower,the flexible support is used.A reasonable mechanical model is applied for checking support strength,stability,and also improving the design of the sliding pin system.The result meets the main air blower thermal expansion volume requirements,optimizes the foundation structure,and improves the productquality and reliability.

MTO project;centrifugal compressor;main air blower;foundation; design

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）04-0051-05

10.16492/j.fjjs.2015.04.083

*本文其他作者：楊洋李志卓金星/沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司

2015-02-06遼寧沈陽110869