黃文俊 于躍平 朱曉農(nóng) 陳啟明 胡四兵

(合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

某SO2風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與臨界轉(zhuǎn)速校核*

黃文俊**于躍平 朱曉農(nóng) 陳啟明 胡四兵

(合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

結(jié)合SO2風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的原始數(shù)據(jù)和要求，進(jìn)行轉(zhuǎn)子的研究和國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)。論述了設(shè)計(jì)備用轉(zhuǎn)子的主要因素和重要零部件的計(jì)算方法，為SO2風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化提供依據(jù)與指導(dǎo)。

SO2風(fēng)機(jī) 國(guó)產(chǎn)化 轉(zhuǎn)子

銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要包括凈化工序、干吸工序和轉(zhuǎn)化工序，其中，SO2風(fēng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)循環(huán)的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，該風(fēng)機(jī)能否正常使用，直接影響到整個(gè)制酸系統(tǒng)的運(yùn)行。為保證硫酸系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大中型銅冶煉煙氣制酸裝置基本上采用進(jìn)口SO2風(fēng)機(jī)，單臺(tái)配置[1～4]。某銅冶煉廠SO2風(fēng)機(jī)是從美國(guó)GE公司進(jìn)口的，自2006年投產(chǎn)以來(lái)機(jī)組運(yùn)行正常。但葉輪葉片腐蝕磨損嚴(yán)重(該風(fēng)機(jī)無(wú)備用轉(zhuǎn)子)，存在安全運(yùn)行隱患。從原廠進(jìn)口備用轉(zhuǎn)子供貨周期長(zhǎng)、價(jià)格高，因此，筆者對(duì)原轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)繪和分析研究，尋求國(guó)產(chǎn)化改造方案。

1 工程背景

SO2風(fēng)機(jī)位于干燥塔下游，硫酸和顆粒很容易被帶入其中并在葉輪、入口導(dǎo)向葉片和殼體上沉積。風(fēng)機(jī)損壞的主要機(jī)理為：從干燥塔帶入的顆粒造成的磨損，SO2氣體和硫酸造成的腐蝕。長(zhǎng)期的操作經(jīng)驗(yàn)表明，磨蝕是主要的磨損機(jī)理。某銅冶煉廠SO2風(fēng)機(jī)為單級(jí)懸臂離心式，滑動(dòng)軸承支撐，半開式葉輪，該風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：

進(jìn)口流量 149 760m3/h

壓升 55kPa

工作轉(zhuǎn)速 2 980r/min

電機(jī)功率 3 400kW

葉輪直徑 1 524mm

葉片數(shù) 18只

葉輪材料 AISI 4340

主軸材料 AISI 4140

葉輪腐蝕磨損主要集中在葉片邊緣和壓力面，尤其是葉片頂部邊緣腐蝕磨損嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 葉片腐蝕磨損部位局部放大圖

2 轉(zhuǎn)子測(cè)繪和分析研究

由于葉輪拆卸困難，測(cè)繪時(shí)未將其拆除，圖2為轉(zhuǎn)子測(cè)繪圖，主軸從右端起依次為聯(lián)軸器段、油封段、聯(lián)軸器側(cè)徑向軸承及測(cè)振段、推力軸承段、葉輪側(cè)徑向軸承及測(cè)振段、碳環(huán)密封段和葉輪安裝段。除葉輪安裝段外，其余軸端尺寸數(shù)據(jù)已固化，葉輪安裝段的軸徑通過對(duì)臨界轉(zhuǎn)速校核計(jì)算進(jìn)行確定。

將關(guān)鍵部位測(cè)繪數(shù)據(jù)與原廠提供的技術(shù)資料進(jìn)行核對(duì)，進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以確保國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)子與原轉(zhuǎn)子幾何尺寸一致性的要求。部分關(guān)鍵尺寸對(duì)比見表1。

圖2 轉(zhuǎn)子測(cè)繪示意圖

表1 部分關(guān)鍵尺寸對(duì)比 mm

原葉輪、主軸材料均為高強(qiáng)度合金鋼，強(qiáng)度能較好的滿足要求，但是葉輪材料的耐腐蝕性較差。因此國(guó)產(chǎn)化時(shí)必須對(duì)葉輪材料進(jìn)行改進(jìn)，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)還需滿足耐腐蝕性的要求。

3 轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與校核

轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化不僅僅是簡(jiǎn)單的測(cè)繪與復(fù)制，還要針對(duì)運(yùn)行過程中存在的問題，進(jìn)行必要的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以確保轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化改造后機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)更優(yōu)。

3.1葉輪強(qiáng)度校核

測(cè)繪時(shí)葉輪內(nèi)孔孔徑未知，從原廠技術(shù)資料上只獲得葉輪與軸聯(lián)接為錐面配合聯(lián)接，為此需對(duì)葉輪與軸聯(lián)接進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確定過盈量和推進(jìn)量。從碳環(huán)密封軸段處軸肩15mm計(jì)，推出葉輪安裝軸段軸徑，初步確定葉輪軸孔設(shè)計(jì)尺寸。

采用有限元法對(duì)葉輪強(qiáng)度進(jìn)行校核[5]，應(yīng)力云圖如圖3所示。最大等效Von Mises應(yīng)力為271.4MPa，小于FV520B材料的屈服強(qiáng)度980MPa。

重點(diǎn)分析葉輪與軸過盈量聯(lián)接問題[5～8]，最小過盈量值可包括在最高工作轉(zhuǎn)速下由離心力作用使軸孔徑向變形量、傳遞轉(zhuǎn)矩所需和預(yù)留安全余量；最大過盈量考慮葉輪、軸的強(qiáng)度要求。因此對(duì)葉輪的變形進(jìn)行了計(jì)算，圖4為葉輪沿徑向的變形量，葉輪軸孔處在工作轉(zhuǎn)速下由離心力作用軸孔半徑徑向平均變形量約為0.045mm。

圖3 葉輪應(yīng)力云圖

圖4 葉輪徑向變形量

根據(jù)葉輪軸配合面?zhèn)鬟f的轉(zhuǎn)矩和材料強(qiáng)度的要求，靜態(tài)下計(jì)算得到最小過盈量為0.02mm，最大過盈量為0.82mm；考慮動(dòng)態(tài)(運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí))下，葉輪不至于松脫，最小過盈量為0.02+0.045×2=0.11mm，最大過盈量仍為0.82mm；考慮在工作轉(zhuǎn)速下葉輪不松脫的余量以及葉輪易于安裝，設(shè)計(jì)過盈量為0.20～0.25mm，根據(jù)設(shè)計(jì)的錐度可得到安裝時(shí)葉輪推進(jìn)量。

3.2轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速校核

對(duì)于轉(zhuǎn)子的第i個(gè)截面，其狀態(tài)矢量Zi由截面的徑向位移xi、撓角αi、彎矩M1和剪力Qi的幅值組成：

(1)

Zi與截面i+1的狀態(tài)矢量Zi+1之間存在一定的關(guān)系，即：

Zi+1=TiZi

(2)

其中Ti為兩截面間的傳遞矩陣。將圓盤和軸段組合成一個(gè)構(gòu)件，經(jīng)推導(dǎo)可得其傳遞矩陣為：

(3)

ν=6EJ/(ktGAl2)

(4)

式中A——截面積；

E——材料彈性模量；

G——材料剪切模量；

Id——圓盤的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Ip——極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

J——軸段的截面矩；

k——支撐剛度；

kt——截面系數(shù)；

l——軸段長(zhǎng)度；

ν——考慮剪切影響的系數(shù)。

可以看出，傳遞矩陣的諸元素都是轉(zhuǎn)子構(gòu)件的物理參數(shù)和渦動(dòng)頻率的函數(shù)。如果構(gòu)件處沒有支承，或不計(jì)軸段的剪切影響，或不計(jì)圓盤的回轉(zhuǎn)效應(yīng)和擺動(dòng)慣性，只需令式(3)中的k、ν、Id或Ip分別為零即可。

根據(jù)傳遞矩陣：

(5)

要滿足最左端邊界條件和最右端邊界條件M1=0，Q1=0，MN+1=0，QN+1=0，則需滿足：

(6)

通過Matlab編程迭代計(jì)算，對(duì)ω先賦予初值，按一定步長(zhǎng)增加進(jìn)行試算，滿足式(6)即為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

根據(jù)測(cè)繪圖進(jìn)行計(jì)算，葉輪質(zhì)量為1 560kg，采用臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式得到一階臨界轉(zhuǎn)速為3 406r/min，工作轉(zhuǎn)速為2 980r/min，不滿足剛性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求，然而機(jī)組實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中并未發(fā)生振動(dòng)異常。為更精確地核算該轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，擬采用自編的傳遞矩陣法計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。其計(jì)算模型如圖5所示，軸段分為12段13個(gè)截面，兩個(gè)徑向支承分別在截面3和8處，葉輪質(zhì)量集中在軸段10和11。經(jīng)計(jì)算，該轉(zhuǎn)子一階橫向彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速為4 276r/min，滿足剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)為1.43，安全裕度不大。因該轉(zhuǎn)子為國(guó)產(chǎn)化改造項(xiàng)目，慎重起見，筆者又利用有限元法對(duì)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了核算，如圖6所示。計(jì)算結(jié)果為4 605r/min，安全系數(shù)為1.55，滿足剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求且安全裕度合理。研究?jī)煞N計(jì)算方法的差異，發(fā)現(xiàn)自編的傳遞矩陣法未能考慮推力盤受到的軸向力載荷，這與實(shí)際不符。

圖6 轉(zhuǎn)子三維網(wǎng)格模型

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)某銅冶煉廠制酸系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備SO2風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)、轉(zhuǎn)子測(cè)繪設(shè)計(jì)和校核的分析表明，該風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化是可行的。冶煉煙氣制酸SO2風(fēng)機(jī)在有色金屬冶煉廠大都采用進(jìn)口設(shè)備，單臺(tái)配置，其轉(zhuǎn)子備件需求量大且相當(dāng)重要，其國(guó)產(chǎn)化對(duì)開展煙氣制酸技術(shù)成套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化將起到積極推動(dòng)作用。

[1] Funk M.硫酸廠主鼓風(fēng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[J].硫酸工業(yè)，2003，(4)：9～13.

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LocalizationandCriticalSpeedCheckforSO2FanRotors

HUANG Wen-jun, YU Yao-ping, ZHU Xiao-nong, CHEN Qi-ming, HU Si-bing

(StateKeyLaboratoryofCompressorTechnology，HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)

Having SO2fan rotor’s primary data and specifications considered, the rotor’s localization and investigation were implemented, including the main factors influencing standby rotor’s design and important parts’ calculations. It provides the basis and guidance for the localization of SO2fan.

SO2fan, localization, rotor

*合肥通用機(jī)械研究院青年基金資助項(xiàng)目(2012011088)。

**黃文俊，男，1981年8月生，高級(jí)工程師。安徽省合肥市，230031。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0204-04

2014-04-10)