于洋 葛婧 陳云偉 張帝 蔣傳杰

摘要：離心式空壓機(jī)在化工行業(yè)的發(fā)展中占有極其重要的作用，本文將簡(jiǎn)述離心式空壓機(jī)的發(fā)展起源，并介紹國內(nèi)主流的離心式空壓機(jī)的機(jī)型特點(diǎn)，分析未來空分行業(yè)用離心式空壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：離心式空壓機(jī);發(fā)展趨勢(shì);單缸;多缸

0 ?引言

離心式空壓機(jī)是將氣態(tài)介質(zhì)的壓力等級(jí)提高或者將氣態(tài)介質(zhì)從一個(gè)設(shè)備輸送至另一個(gè)設(shè)備，離心式空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)一般為汽輪機(jī)或電機(jī)，將蒸汽能量或電能轉(zhuǎn)化為氣態(tài)介質(zhì)的壓力勢(shì)能[1]，在這樣的過程中氣態(tài)介質(zhì)的體積會(huì)減小或發(fā)生狀態(tài)改變，壓力通常會(huì)升高。離心空壓機(jī)工作時(shí)，葉片的吸力面會(huì)吸收氣態(tài)介質(zhì)，通過葉片的壓力面做功并在由隔板組成的闊壓器中擴(kuò)大氣態(tài)介質(zhì)的壓力，使氣態(tài)介質(zhì)的壓力得到提高[2]。

起初離心式空壓機(jī)并不被行業(yè)內(nèi)的人士看好，因其只適合用于低壓力、小流量的工作狀態(tài)，但由于離心空壓機(jī)的化工行業(yè)的重要作用，同時(shí)由于化工行業(yè)在近年來的飛速發(fā)展，其在化工領(lǐng)域占有的重要地位逐漸顯現(xiàn)，在化工行業(yè)中，離心空壓機(jī)是化工流程的心臟設(shè)備[3]。

伴隨著離心壓縮設(shè)計(jì)能力的提高，使得其工作效率不斷提高，又由于各種先進(jìn)的密封及離心空壓機(jī)隔板擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，促使離心空壓機(jī)向著工作壓比寬泛、工作流量寬泛的方向發(fā)展，因此逐步的打開了離心式空壓機(jī)的適用范圍[4]。

1 ?離心式空壓機(jī)的起源

在離心式空壓機(jī)出現(xiàn)前，往復(fù)式空壓機(jī)占據(jù)著化工行業(yè)的主導(dǎo)地位。往復(fù)式空壓機(jī)存在諸多缺點(diǎn)，譬如其單缸體容量小、體積巨大、工作噪音大、容易損壞和工作效率低等[5]，很難在化工行業(yè)大范圍推廣應(yīng)用。直至1900年，法國一家名為“拉托“的工廠，首先設(shè)計(jì)并制造出世界上第一臺(tái)離心式空壓機(jī)，該離心式空壓機(jī)用于高爐鼓風(fēng)用，因此現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)也管離心式空壓機(jī)稱作離心式鼓風(fēng)機(jī)[6]。至1906 年，由瑞士人設(shè)計(jì)并制造的Latto型空壓機(jī)，從此在世界范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛使用離心式空壓機(jī)的熱潮。

從上個(gè)世紀(jì)40年代起，隨著軍用航空飛行器的發(fā)展需要，出現(xiàn)了軸流式空壓機(jī)。軸流式空壓機(jī)具有高達(dá)84～92%的熱效率[7]，廣泛的用于航空燃?xì)廨啓C(jī)的制造中，于此同時(shí)，能源行業(yè)也看到軸流式空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)，在煤制油、能源及制藥等領(lǐng)域也得到了充分的發(fā)展。由于軸流式空壓機(jī)的飛速發(fā)展制約了離心式空壓機(jī)的發(fā)展，直到1965年，航空航天領(lǐng)域?qū)Τ⌒腿細(xì)廨啓C(jī)的需求以及離心式空壓機(jī)制造工藝水平的提高及氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)能力的提高，促使其獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。離心式空壓機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、連續(xù)性強(qiáng)、使用年限長(zhǎng)、可不間斷連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，隨著其設(shè)計(jì)、制造關(guān)鍵單元技術(shù)的革新，促進(jìn)了離心式空壓機(jī)的大面積應(yīng)用。

上世紀(jì)石油化工行業(yè)得到飛速發(fā)展，1950年代后期，成立于德國的得馬格公司設(shè)計(jì)并制造了著名的齒輪組裝式空壓機(jī)，組裝式空壓機(jī)為齒輪傳動(dòng)多級(jí)離心式空壓機(jī)，其多級(jí)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，大大的提高了空壓機(jī)的排氣壓力及質(zhì)量流量，使其的化工行業(yè)特別是化肥行業(yè)得到大范圍應(yīng)用，直至上世紀(jì)70年代末期，各離心式空壓機(jī)生產(chǎn)廠商都推出了各自的VK系列空壓機(jī)以適用廣泛的市場(chǎng)需求。者其中不乏一些著名型號(hào)的離心空壓機(jī)：例如1960年美國的哎里奧特設(shè)計(jì)制造出PAP系列離心空壓機(jī)，該離心空壓機(jī)為三段壓縮，排氣流量的下限為為27.88m3/min。15年后，該生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并制造出PAP+系列離心空壓機(jī)，其進(jìn)一步提高了排氣壓力及流量;1963年美國一家名為蘭德的公司研制出申泰克系列離心式空氣空壓機(jī)，該系列離心空壓機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定，工作效率較哎里奧特生產(chǎn)的離心式空壓機(jī)有所提高，在化工行業(yè)得到一致的好評(píng)，直到1977年該廠家生產(chǎn)了申泰克二代系列離心空壓機(jī)，該代產(chǎn)品較初代產(chǎn)品提高轉(zhuǎn)速約12%，大大地提高排氣壓力及流量。

2 ?離心式空壓機(jī)在我國的發(fā)展歷程

我國受限于早期技術(shù)積累比較薄弱，在1950年以前，離心空壓機(jī)在國內(nèi)鮮有發(fā)展，只有極少數(shù)廠家可以制造離心鼓風(fēng)機(jī)，但不具備設(shè)計(jì)能力。上世紀(jì)50年代后，離心空壓機(jī)經(jīng)歷了從無到有的過程，并在60年代后經(jīng)歷了飛速發(fā)展。例如陜鼓廠、上鼓廠及著名的沈鼓廠等均能夠自主設(shè)計(jì)、制造生產(chǎn)離心空壓機(jī)，但離心空壓機(jī)的設(shè)計(jì)依然依賴于技術(shù)引進(jìn)，直到上世紀(jì)70年代后期，國內(nèi)離心空壓機(jī)的理論計(jì)算水平及研究水平才得到長(zhǎng)足的發(fā)展，離心空壓機(jī)的研發(fā)、加工及制造水平有了較大的飛躍。

國內(nèi)離心空壓機(jī)行業(yè)的發(fā)展依賴于技術(shù)引進(jìn)，早期，陜西鼓風(fēng)機(jī)廠從瑞士速爾綬公司引進(jìn)軸流式離心空壓機(jī)的整套設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)靜葉不可調(diào)及靜葉可調(diào)兩種系列、不同規(guī)格的軸流風(fēng)機(jī)。沈鼓廠從新比隆公司引進(jìn)了MCL型及BCL型離心空壓機(jī)的生產(chǎn)制造技術(shù)，隨后又開發(fā)出管線型離心空壓機(jī)，這三種離心空壓機(jī)技術(shù)奠定了國內(nèi)離心空壓機(jī)行業(yè)的基礎(chǔ)。為了開拓高壓力離心空壓機(jī)市場(chǎng)，沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠又從日本引進(jìn)了DH型離心空壓機(jī)的整套技術(shù)。在70年代后期，為了提高我國的離心空壓機(jī)水平，由先后引進(jìn)了多種國際上先進(jìn)的離心空壓機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，由此縮短了與國外同行業(yè)的差距。目前我國可生產(chǎn)各類型的離心空壓機(jī)，特別是沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠以能夠生產(chǎn)各類型離心空壓機(jī)而著稱，其能夠生產(chǎn)MCL、BCL、PCL、DMCL、MCO、ZMCL、DH、SVK、PTA等各類型離心空壓機(jī)，覆蓋了民用、軍用、石油化工等各行各業(yè)，可謂多點(diǎn)開花。

沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠為我國離心空壓機(jī)行業(yè)的排頭兵，具備全國領(lǐng)先的技術(shù)水平，為能源、化工、天然氣輸送等行業(yè)提供了先進(jìn)的離心空壓機(jī)設(shè)備，為我國各項(xiàng)重大裝備的國產(chǎn)化做出了杰出貢獻(xiàn)。上世紀(jì)70年代，依賴于國家對(duì)空壓機(jī)行業(yè)的大力投入，沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠對(duì)其加工制造及裝配能力進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)一大批精良的設(shè)備，建立了齒輪箱生產(chǎn)車間，能夠自行設(shè)計(jì)制造匹配的齒輪箱，大大降低了生產(chǎn)成本。此外還建設(shè)了高信息化的試車臺(tái)，具備了國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先的試驗(yàn)水平，能夠完成離心空壓機(jī)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)及性能試驗(yàn)，完整的模擬用戶的使用工況，符合美國石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

我國離心空壓機(jī)行業(yè)的發(fā)展得益于許多單元技術(shù)的科技進(jìn)步，隨著單元技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及技術(shù)整合能力的不斷提升，離心式空壓機(jī)從使用性能及可靠性上均得到較大提升。隨著三元葉輪模型機(jī)的開發(fā)，離心式空壓機(jī)的模型機(jī)性能、計(jì)算分析方法均得到長(zhǎng)足的發(fā)展，近年來，隨著離心空壓機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展，在石化行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

早期的離心空壓機(jī)將驅(qū)動(dòng)機(jī)布置在低壓缸機(jī)組的排氣側(cè)，因?yàn)樵缙诘臒o雙軸申的汽輪機(jī)和電機(jī)。如一臺(tái)離心空壓機(jī)裝置由多缸組成，與驅(qū)動(dòng)機(jī)連接的第一個(gè)缸的軸系就要承受多缸的軸功率，造成第一個(gè)缸的轉(zhuǎn)子、軸承等尺寸較大。由于與驅(qū)動(dòng)機(jī)相連的第一個(gè)機(jī)組的轉(zhuǎn)子主軸及軸承尺寸過大，限制了隔板流到的布置，導(dǎo)致其無法設(shè)計(jì)流量和壓比較大的單級(jí)葉輪。

伴隨著離心空壓機(jī)的發(fā)展，單軸的離心空壓機(jī)逐漸暴露出缺點(diǎn)，例如單一流道導(dǎo)致進(jìn)氣效率低，均勻性差，調(diào)速困難，離心空壓機(jī)的檢修困難，提高性能僅能通過轉(zhuǎn)速的提高實(shí)現(xiàn)，給齒輪箱的制作帶來困難。對(duì)于多級(jí)空壓機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況難以得到有效的控制，制約了其發(fā)展。

在這樣的背景，沈陽鼓風(fēng)廠開發(fā)出單缸懸臂離心空分空壓機(jī)——即MCO型離心空壓機(jī)，其是對(duì)傳統(tǒng)的水平剖分離心空壓機(jī)的改進(jìn)。MCO型離心空壓機(jī)通過將首級(jí)由缸體內(nèi)移至缸體外的蝸殼內(nèi)，葉輪由閉式葉輪改為半開式葉輪，首級(jí)葉輪可增加至直徑1.6m，后幾級(jí)葉輪的可以減小外徑，增加出口截面積，提高整體效率。其次，首級(jí)葉輪懸掛在缸體外部，由此可以將軸承座也安裝在外部，提高檢修軸承的便利程度。最后，4個(gè)葉輪并采用兩端低壓，中間高壓的布置方式，利于減小軸向推力，減小推力盤的負(fù)荷。MCO型離心空壓機(jī)打破了國際先進(jìn)離心空壓機(jī)公司對(duì)大國內(nèi)大型空分裝置壟斷的局面，目前該機(jī)型已得到推廣應(yīng)用，在國內(nèi)取得良好的口碑，也為后續(xù)相關(guān)機(jī)型的改進(jìn)提供了廣泛的借鑒意義。

3 ?離心式空壓機(jī)的未來發(fā)展趨勢(shì)

MCO型離心空壓機(jī)從上世紀(jì)90年代研制成功后，在國內(nèi)空分市場(chǎng)有著制造成本低、耗能低、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，由于其首級(jí)葉輪帶進(jìn)口導(dǎo)葉，因此實(shí)現(xiàn)了比較簡(jiǎn)易的流量調(diào)節(jié)，在空分用戶中逐漸取代了DMCL+2MCL型空壓機(jī)組，MCO機(jī)型還大大降低了生產(chǎn)成本和用戶的使用成本，成為目前國內(nèi)空分市場(chǎng)的頂級(jí)產(chǎn)品，今年來由于國家政策導(dǎo)向，空分試車逐漸增大，對(duì)MCO機(jī)型的需求也越來越高。舉例說明：目前41000m3/h及以上的空分空壓機(jī)，入口流量為210000m3/h的裝置，一般采用DMCL1204+2MCL1203兩缸結(jié)構(gòu)，由于缸體數(shù)量多，總重量約為200T，轉(zhuǎn)子總重約為13t，需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)，費(fèi)用高，占用廠房面積大，由于參與工作的零件較多、較大，容易發(fā)生振動(dòng)故障，增加使用成本。與之相對(duì)的是，我們可以使用MCO1404機(jī)型代替雙缸結(jié)構(gòu)，單獨(dú)MCO1404機(jī)組重僅為110t，轉(zhuǎn)子的重量為7t，單缸結(jié)構(gòu)降低使用成本、維修費(fèi)用等成本50%以上，同時(shí)單缸結(jié)構(gòu)可以減小占地面積，使用一臺(tái)機(jī)組所產(chǎn)生的機(jī)械損失更小，不宜發(fā)生故障，可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。MCO型離心空壓機(jī)的出現(xiàn)以及技術(shù)的成熟，為離心空壓機(jī)市場(chǎng)帶來了新的選擇，具有成本低、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，目前已成為空壓機(jī)市場(chǎng)的主流機(jī)型。

參考文獻(xiàn)：

[1]高其烈.空氣壓縮機(jī)的技術(shù)進(jìn)展和趨向[N].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005，10（2）：53-56.

[2]Ozgokmen T M， Johns W E， Peters H， et al. Turbulent mixing in the red sea outflow plume from a high-resolutingnonhydrostaticmodel[J]. Jounal of Physical Oceanography， 2003， 33（8）：1846-1869.

[3]花嚴(yán)紅，袁衛(wèi)星，王海.離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀及展望[N].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007，2（3）：45-48.

[4]西安交通大學(xué)透平壓縮機(jī)教研室.離心式壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[5]樊會(huì)元，席光，王尚錦.離心壓縮機(jī)二元和三元葉輪內(nèi)流分析[N].風(fēng)機(jī)技術(shù)，1999，3（1）：45-18.

[6]A·埃利·尼森費(fèi)爾德（美），復(fù)斌等譯.離心式壓縮機(jī)操作與控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[7]魏金章.空分裝置用透平壓縮機(jī)的發(fā)展[N].風(fēng)機(jī)技術(shù)，1997，9（6）：1-4.