紀(jì)芳靜

（長沙賽爾透平機(jī)械有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

離心壓縮機(jī)可廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、制藥、煤化工、紡織、清潔能源、環(huán)保、國防、空氣儲能、制冷、空分等和國計民生息息相關(guān)的各個領(lǐng)域，且作為所在領(lǐng)域的重要（核心）設(shè)備，具有不可替代的作用。相比于容積式壓縮機(jī)，其具有效率高、故障少、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點。

近年來，受益于新材料、新技術(shù)、先進(jìn)制造工藝、先進(jìn)制造理念的應(yīng)用及設(shè)備加工精度的提高，離心壓縮機(jī)流量范圍下限也越做越低，目前離心壓縮機(jī)的最小流量范圍已經(jīng)覆蓋到了羅茨、往復(fù)式、螺桿式等容積式壓縮機(jī)的大部分流量范疇。并在一些行業(yè)逐步替代羅茨、螺桿、往復(fù)壓縮機(jī)的部分市場。

在我國大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，綠色發(fā)展的大時代背景下，對離心壓縮機(jī)往小流量、高壓比等方向展開技術(shù)研發(fā)很有必要。該文根據(jù)某用戶工藝氣體參數(shù)需求，對小流量、高壓比的高效離心壓縮機(jī)相關(guān)方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

1 設(shè)計參數(shù)表

根據(jù)用戶提供的工藝氣體參數(shù)，設(shè)計壓縮機(jī)的參數(shù)。某用戶對工藝氣體參數(shù)需求，見表1，該參數(shù)即為設(shè)計參數(shù)。

表1 設(shè)計參數(shù)表

2 研發(fā)的創(chuàng)新點暨研制難點及解決辦法

2.1 “多軸+多軸”機(jī)組軸系模式

由于工藝氣體出口壓比達(dá)到了42.61，按離心壓縮機(jī)平均每級壓比1.5～2計算，并考慮級間管路及冷卻器壓力損失，需要7～10級葉輪壓縮。

如果采用傳統(tǒng)單軸式，壓縮機(jī)軸系較長，并且多個尺寸相差較大的葉輪共用一個轉(zhuǎn)速，其能耗將會較高，其穩(wěn)定性也會受到影響。

如果采用傳統(tǒng)多軸式，目前國產(chǎn)離心壓縮機(jī)，三軸六級即為上限，四軸八級等均依賴國外廠家技術(shù)。

近年來，國內(nèi)運(yùn)用的機(jī)型通過機(jī)型組合模式，出現(xiàn)了單軸+單軸，單軸+多軸等一拖二機(jī)組組合模式[3]。我國已成功開發(fā)過“單軸+多軸”小流量、高壓比電機(jī)一拖二等項目，針對該項目流量更小，壓比更高的設(shè)計要求，低壓缸采用多軸機(jī)型比采用單軸機(jī)型更為合適。最終決定采用“多軸+多軸”電機(jī)一拖二的機(jī)型組合模式。

低壓缸（多軸等溫離心壓縮機(jī)）、高壓缸（多軸等溫離心壓縮機(jī)）通過雙輸出電動機(jī)驅(qū)動。電機(jī)采用雙軸伸型式，一軸伸端通過擾性聯(lián)軸器聯(lián)接低壓缸，另一軸伸端通過擾性聯(lián)軸器聯(lián)接高壓缸，如圖1所示。

圖1 機(jī)組軸系模式：多軸低壓缸+電機(jī)+多軸高壓缸

2.2 氣動設(shè)計方案優(yōu)化

初步氣動設(shè)計為低壓缸、高壓缸均為四級等溫壓縮。由于該機(jī)組壓比高，進(jìn)口態(tài)容積流量逐級遞減，尤其是最后幾級，進(jìn)口態(tài)容積流量極小。這樣后面幾級葉輪將會很小，且葉輪出風(fēng)口寬度將會很窄，大大提高葉輪的焊接、加工難度。

通過對大量的氣動方案比較分析，不斷優(yōu)化設(shè)計，確定最終方案：提高后面幾級工作轉(zhuǎn)速（七、八級轉(zhuǎn)速提高到38600r/min）、加大葉輪出風(fēng)口寬徑比、第七級壓縮后不冷卻直接進(jìn)入第八級壓縮，全部采用三元葉輪等。通過這些方法來解決方案可行性、葉輪加工難度和能耗等方面的問題。

根據(jù)最終方案，確定葉輪幾何參數(shù)表，見表2。

表2 各級葉輪最終設(shè)計結(jié)果及各參數(shù)對比表

2.3 整體撬裝塊結(jié)構(gòu)

整套機(jī)組主要部件包括低壓缸、高壓缸和驅(qū)動雙輸出電動機(jī)、冷卻器、稀油潤滑系統(tǒng)、管路系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

通常情況下，壓縮機(jī)撬裝結(jié)構(gòu)一般是單臺（單缸）壓縮機(jī)撬裝，目前國內(nèi)由2臺（雙缸）壓縮機(jī)做成撬裝式的極少。由于該機(jī)組壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、級間冷卻器及級間管路的尺寸均較小，從降低壓縮機(jī)級間壓損、保證質(zhì)量、降低制造成本、布置緊湊、降低廠房等土建成本、方便操作維護(hù)等方面出發(fā)，采用整體撬裝式結(jié)構(gòu)，低壓缸、高壓缸、主電機(jī)和潤滑油系統(tǒng)均集成在一個整體撬裝底座上，氣體冷卻器放至在撬裝塊兩側(cè)，如圖2所示。

圖2 機(jī)組整體撬裝塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析計算及優(yōu)化

轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計對離心壓縮機(jī)組尤為關(guān)鍵，其直接影響到壓縮機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)及機(jī)械性能。

“多軸+多軸”一拖二離心壓縮機(jī)中的壓縮機(jī)高壓缸及低壓缸共有6根（齒輪）軸，且各轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速度高，轉(zhuǎn)子軸系尤為復(fù)雜。齒輪嚙合、各轉(zhuǎn)子的耦合增大了扭轉(zhuǎn)振動及動力學(xué)分析計算難度。

利用“CMD-Rotor轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件”為“多軸+多軸”一拖二機(jī)組建立了工程精度高、計算效率高的轉(zhuǎn)子動力特性分析模型，通過分析轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)、轉(zhuǎn)子靜撓度計算分析、轉(zhuǎn)子及葉輪熱機(jī)載荷下變形分析得到轉(zhuǎn)子的總變形，并結(jié)合氣缸的變形分析，完成了動靜間隙的最優(yōu)控制，降低了機(jī)組的能耗。轉(zhuǎn)子橫向臨界轉(zhuǎn)速圖：第一軸轉(zhuǎn)速與渦動頻率的圖中，實線為第一軸升速轉(zhuǎn)速，點劃線為轉(zhuǎn)子固有頻率。軸的渦動頻率與固有頻率轉(zhuǎn)速有關(guān)。在升速中固有頻率下與升速曲線交叉點轉(zhuǎn)速為一個臨界轉(zhuǎn)速，在實際運(yùn)行中到臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)快速通過以防振動加大；第一軸轉(zhuǎn)速與對數(shù)衰減率的圖中，實線為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的對數(shù)衰減率，用來判斷轉(zhuǎn)子是否失穩(wěn)，當(dāng)對數(shù)衰減率為0時，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為軸的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子橫向臨界轉(zhuǎn)速圖

高、低壓缸轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)盡量小，轉(zhuǎn)子軸心軌跡平穩(wěn)。轉(zhuǎn)子軸心軌跡是不平衡響應(yīng)軸心軌跡圖是軸在升速過程中，軸在XY2個方向的振動幅度形成的軌跡，通過振幅的大小判斷軸的平穩(wěn)性。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子軸心軌跡示例圖

2.5 葉輪設(shè)計

葉輪的主要作用是把能量有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，并輸出給軸端[1]。葉輪為離心壓縮機(jī)的核心，直接關(guān)系到壓縮機(jī)的性能和效率，其質(zhì)量直接影響離心壓縮機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。

目前在離心壓縮機(jī)領(lǐng)域，中國與世界先進(jìn)水平的主要差距在于缺少效率高、工況范圍寬廣的高性能的葉輪設(shè)計方法和制造技術(shù)。國外透平機(jī)械制造廠大都采用空間直線元素三元葉輪的設(shè)計方法，雖然其數(shù)控加工工藝性能好，但其葉型為直線（葉頂?shù)饺~根），限制了氣動性能的進(jìn)一步提高。在設(shè)計中我們突破了葉片造型中采用“直線元素”的約束條件，采用任意空間自由曲面構(gòu)造葉片來實現(xiàn)氣動性能設(shè)計更大的自由度的目標(biāo)。采用逆命題的設(shè)計方法，由期望的流場，直接求得相應(yīng)的葉輪幾何形狀及尺寸。解決葉輪內(nèi)全部流動狀態(tài)控制和葉片光滑可加工之間的矛盾，確保寬度和軸向尺寸較小葉片的葉輪內(nèi)部氣體的流動良好。

這樣所得的葉輪葉片幾何形狀從葉頂?shù)饺~根為一條空間扭曲的曲線，葉輪的子午面、回轉(zhuǎn)面及葉片的設(shè)計中采用了任意曲面設(shè)計方法進(jìn)行葉片造型，有效控制葉輪內(nèi)所有流體質(zhì)點的運(yùn)動，其壓縮機(jī)整機(jī)效率高于采用直線元素三元葉輪整機(jī)2%以上。葉輪外形對比，如圖5所示。

圖5 “任意空間自由曲面”三元葉輪直線元素三元葉輪

3 主機(jī)結(jié)構(gòu)

多軸離心壓縮機(jī)，主要是由齒輪箱、軸承、蝸殼、隔板、導(dǎo)流器、轉(zhuǎn)子組以及進(jìn)口預(yù)旋調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等組成[2]。氣體從進(jìn)口預(yù)旋器進(jìn)入第一級葉輪，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪壓縮后提高了壓力，并以較高的流速進(jìn)入擴(kuò)壓器中，氣體在擴(kuò)壓器中流速降低，壓力進(jìn)一步升高后由蝸殼匯集，由排氣管送出，經(jīng)氣體冷卻器冷卻后，再進(jìn)入下一級葉輪壓縮。

齒輪箱采用焊件結(jié)構(gòu)，沿齒輪軸線的水平面將箱體分為上、下2個部分。大齒輪采用硬齒面漸開線斜齒輪，其中齒輪軸為優(yōu)質(zhì)合金鋼鋼，小齒輪及軸采用整體結(jié)構(gòu)，選用滲碳鋼，齒面經(jīng)過滲碳處理，以提高其硬度，經(jīng)過磨齒處理后可以提高精度。

軸承大齒輪徑向采用錯位瓦滑動軸承，止推軸承為平面推力軸承，小齒輪采用可傾瓦徑向軸承，小齒輪通過推力盤結(jié)構(gòu)把軸向推力傳給大齒輪，更好地保證了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)子為壓縮機(jī)的高速轉(zhuǎn)動件，分為轉(zhuǎn)子Ⅰ、轉(zhuǎn)子Ⅱ及大齒輪軸，大齒輪和齒輪軸采用過盈連接，轉(zhuǎn)子Ⅰ、轉(zhuǎn)子Ⅱ包括葉輪、主軸、齒輪和聯(lián)接螺栓等零件。

進(jìn)口預(yù)旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（IGV）安裝在每臺壓縮機(jī)的一級葉輪進(jìn)口前面，通過傳動機(jī)構(gòu)與氣動結(jié)構(gòu)連接，從而控制葉片轉(zhuǎn)動角度，以改變進(jìn)口氣流預(yù)旋角度。主機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6所示。

4 結(jié)論

氣動參數(shù)的優(yōu)化使主機(jī)結(jié)構(gòu)更加合理；軸系參數(shù)與機(jī)組結(jié)構(gòu)改進(jìn)使機(jī)組模式更新穎，軸系更簡單，提高了機(jī)組的穩(wěn)定性，減少了用戶土建等成本投入；通過轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件進(jìn)行動力學(xué)、穩(wěn)定性分析，解決了一拖二離心壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的難題。使用整套機(jī)組的最終設(shè)計方案，成功完成了首臺“多軸+多軸”小流量（末級葉輪進(jìn)口態(tài)容積流量221Nm3/h）、高壓比（總壓比42.61）電動一拖二離心式壓縮機(jī)組。且樣機(jī)已經(jīng)在用戶單位安裝并成功運(yùn)行，運(yùn)行中流量、振動和軸承溫度等參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計要求。“多軸+多軸”一拖二機(jī)組的研制成功使離心壓縮機(jī)在小流量和高壓比方面取得了突破，進(jìn)一步拓寬了離心壓縮機(jī)的流量適用范圍。

圖6 多軸離心壓縮機(jī)主機(jī)剖面圖