劉龍龍，姜 嫄，郭洪彪

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

組裝式離心風(fēng)機(jī)又稱(chēng)組裝型整體齒輪增速離心風(fēng)機(jī)，其作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、單級(jí)壓比高等特點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于石化 、制藥、冶金、空分裝置及動(dòng)力站等領(lǐng)域【1】。 變換工段氮?dú)庋h(huán)工藝是甲醇、二甲醚、合成氨以及新能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域等行業(yè)中常用的一種工藝，該工藝以氮?dú)庾鳛檩d體，對(duì)觸媒進(jìn)行升溫硫化，目的是提高觸媒活性，便于系統(tǒng)接氣開(kāi)車(chē)。該工藝運(yùn)行前關(guān)鍵設(shè)備為氮?dú)庋h(huán)風(fēng)機(jī)，其能否穩(wěn)定運(yùn)行將直接關(guān)系到系統(tǒng)開(kāi)車(chē)進(jìn)度，也會(huì)影響到化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。該風(fēng)機(jī)輸送的氮?dú)庵泻猩倭康牧蚧瘹洹錃?、水等，這就需要從防腐、防爆、低噪聲等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下文將對(duì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求開(kāi)展離心風(fēng)機(jī)攻關(guān)設(shè)計(jì)的情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

因?yàn)槭艿叫D(zhuǎn)、曲率及粘性等因素的影響，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)為非定常、有粘性的三維湍流流動(dòng)【2】。根據(jù)離心式壓縮機(jī)原理【3】，采用自編程序和Concepts NREC【4】，對(duì)過(guò)流部分進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算和幾何構(gòu)造，并通過(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算預(yù)測(cè)性能。為保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)所用軸承進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，此外，還需進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)校核計(jì)算。最后通過(guò)空氣性能試驗(yàn)驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

離心風(fēng)機(jī)過(guò)流部件為機(jī)組核心部件，也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，將直接影響性能及機(jī)械運(yùn)行特性。該風(fēng)機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的工藝參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

該風(fēng)機(jī)布置方案為一級(jí)壓縮的整體齒輪式結(jié)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。風(fēng)機(jī)本體與電機(jī)共同置于一個(gè)基礎(chǔ)底座之上。圖1為機(jī)組的總裝。

圖1 離心風(fēng)機(jī)總裝

風(fēng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)為單軸轉(zhuǎn)速，軸向進(jìn)氣，葉輪、齒輪、蝸殼集成結(jié)構(gòu)。圖2為風(fēng)機(jī)剖面示意。

圖2 風(fēng)機(jī)剖面示意

2 研制過(guò)程

本文主要介紹關(guān)鍵部件的研制，包括過(guò)流部分、軸承及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)。

2.1 過(guò)流部分設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)，首先進(jìn)行一維熱力學(xué)計(jì)算，確定整體布局方案為：葉輪+無(wú)葉擴(kuò)壓器+蝸殼。

在進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算過(guò)程中，介質(zhì)成分按理想氣體處理。因整機(jī)效率要求較高，因此，要控制葉輪比轉(zhuǎn)速在效率最優(yōu)范圍內(nèi)，配置無(wú)葉擴(kuò)壓器，擴(kuò)寬風(fēng)機(jī)的工作范圍。過(guò)流部件氣動(dòng)布置如圖3 所示。

圖3 過(guò)流部件氣動(dòng)布置

經(jīng)過(guò)自編程序和NREC軟件計(jì)算得到的葉輪幾何參數(shù)如表2所示。

表2 葉輪幾何參數(shù)

根據(jù)葉輪參數(shù)計(jì)算得到的無(wú)葉擴(kuò)壓器和蝸殼結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示。

表3 擴(kuò)壓器和蝸殼幾何參數(shù) mm

根據(jù)表1和表2的計(jì)算結(jié)果構(gòu)造三維過(guò)流部件并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終結(jié)果如圖4所示。

圖4 過(guò)流部件三維模型

完成各部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，需要對(duì)風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行數(shù)值仿真評(píng)估。因試驗(yàn)時(shí)需要使用空氣介質(zhì)驗(yàn)證性能，而現(xiàn)場(chǎng)為實(shí)際氣體混合介質(zhì)，需要分別計(jì)算空氣和混合氣體兩種情況。

采用空氣計(jì)算時(shí)，邊界條件設(shè)定為：進(jìn)口總溫20 ℃，進(jìn)口總壓101.325 kPa(絕)，出口給定背壓，轉(zhuǎn)速10 320 r/min?？諝饨橘|(zhì)計(jì)算結(jié)果流量-壓比曲線如圖5(a)所示，流量-效率曲線如圖5(b)所示。葉輪內(nèi)部流量子午面靜壓分布【5】結(jié)果如圖6所示。

圖5 采用空氣介質(zhì)計(jì)算得到的性能曲線

圖6 采用空氣介質(zhì)計(jì)算得到的靜壓分布和流線

從圖6可以看出，介質(zhì)在葉輪內(nèi)部沿流動(dòng)方向逐步升壓，升壓過(guò)程中流動(dòng)狀況良好，未發(fā)現(xiàn)明顯氣流分離情況。

采用混合氣體計(jì)算時(shí)，邊界條件設(shè)定為：進(jìn)口總壓0.345 MPa(絕)，進(jìn)口總溫40 ℃，出口給定背壓，轉(zhuǎn)速11 404 r/min。

采用混合氣體計(jì)算得到的流量-壓力曲線如圖7(a)所示，流量-效率曲線如圖7(b)所示。葉輪內(nèi)部流量子午面結(jié)果如圖8所示。

圖7 采用混合氣體介質(zhì)計(jì)算得到的性能曲線

圖8 采用混合氣體介質(zhì)計(jì)算得到的靜壓分布和流線

從圖8可以看出，氣體在葉輪內(nèi)部沿流動(dòng)方向逐步升壓，升壓過(guò)程中流動(dòng)狀況良好，未發(fā)現(xiàn)氣流分離情況。

具體性能參數(shù)分析如下：

1) 采用空氣介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，最小流量點(diǎn)可達(dá)3 980.1 m3/h， 此時(shí)總壓比為1.412 6，多變效率為79.07%； 額定流量點(diǎn)9 411.6 m3/h， 總壓比為1.343，多變效率為84.96%。風(fēng)機(jī)在3 980.1～12 969 m3/h范圍內(nèi)工作不會(huì)發(fā)生喘振。

2) 采用混合氣體介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，最小流量點(diǎn)為5 465 m3/h，總壓比為1.433，絕熱效率為83.7%；額定工況附近點(diǎn)流量為10 889 m3/h，總壓比為1.333，絕熱效率為85.28%。風(fēng)機(jī)在5 464～14 489 m3/h范圍內(nèi)工作不會(huì)發(fā)生喘振。

由兩種介質(zhì)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得，在額定流量點(diǎn)，壓比、效率均滿足表1設(shè)計(jì)指標(biāo)，風(fēng)機(jī)可工作流量范圍寬。通過(guò)子午面流場(chǎng)可知，葉輪內(nèi)部流動(dòng)良好，均未出現(xiàn)明顯氣流分離的情況。

2.2 單級(jí)高速風(fēng)機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 軸承計(jì)算

齒輪箱體為上下中分結(jié)構(gòu)，軸承采用剖分式，難以做到瓦間或瓦面承載，可能處于其中的中間狀態(tài)。為此需校核這兩種極限情形下的承載情況，若二者均能滿足設(shè)計(jì)要求，那么中間狀態(tài)的性能在這個(gè)范圍之內(nèi)，就能滿足設(shè)計(jì)要求。圖9(a)～圖9(b)為軸承理論計(jì)算結(jié)果。

圖9 軸承計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，運(yùn)行工況下，前、后軸承的最小油膜厚度均高于25 μm，最大油壓低于10 MPa，設(shè)計(jì)滿足承載要求。圖10為實(shí)際加工完成的軸承照片。

圖10 軸承實(shí)物

2.2.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

因機(jī)組對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行要求較高，需要對(duì)轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行計(jì)算，以確保風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在合理區(qū)間范圍內(nèi)。根據(jù)轉(zhuǎn)子組件實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行加載組合。構(gòu)造的計(jì)算模型如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)子模型

高速軸前端配有葉輪，前、后軸承為支點(diǎn)。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖12(a)～圖12(b)所示。

圖12(a)～圖12(b)表明，轉(zhuǎn)子工作于一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間，一階振型變形最大處為懸臂葉輪端。

圖12 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

軸承不平衡響應(yīng)計(jì)算如圖13(a)～圖13(b)所示。

圖13(a)～圖13(b)表明，轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為6 800 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速34 000 r/min以上。轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速滿足避開(kāi)率的要求。

考慮風(fēng)機(jī)葉輪氣流激振因素的情況下，通過(guò)對(duì)前、后軸承的不平衡響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得到轉(zhuǎn)子的對(duì)數(shù)衰減率為0.89，滿足穩(wěn)定性要求。圖14為轉(zhuǎn)子對(duì)數(shù)衰減計(jì)算結(jié)果。

圖14 轉(zhuǎn)子對(duì)數(shù)衰減計(jì)算結(jié)果

3 試驗(yàn)過(guò)程

風(fēng)機(jī)試驗(yàn)管路實(shí)際布置見(jiàn)圖15。

所有部件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行機(jī)組空氣性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到風(fēng)機(jī)的流量-壓比曲線和流量-效率曲線，如圖16(a)～圖16(b)所示。

圖15 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)管路實(shí)際布置

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖16 空氣介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能在額定點(diǎn)9 130 m3/h時(shí)，總壓比為1.359，多變效率為85.58%，滿足設(shè)計(jì)要求；(因介質(zhì)成分和密度不同，設(shè)計(jì)流量會(huì)存在偏移)風(fēng)機(jī)可運(yùn)行流量范圍為4 384～12 056 m3/h。

風(fēng)機(jī)機(jī)組在高速軸前后設(shè)有兩個(gè)方向的振動(dòng)探頭，高速軸承前后設(shè)置有溫度探頭，齒輪箱殼體有振動(dòng)速度探頭。各探頭監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5～表7所示。

表5 高速軸徑向振動(dòng)

由表5和表6可知，兩個(gè)方向上的高速軸振動(dòng)位移均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，振動(dòng)水平低，穩(wěn)定性好，殼體振動(dòng)速度僅為0.6 mm/s。

表6 齒輪箱殼體振動(dòng)

表7 高速軸軸承溫度

由表7可知，高速軸前后兩軸承運(yùn)行溫度均低于限定值，在可使用的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)上述計(jì)算分析，可得到以下結(jié)論：

1) 根據(jù)離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)， 進(jìn)行一維熱力學(xué)計(jì)算， 確定氣動(dòng)布局， 空氣和實(shí)際混合氣體數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明， 預(yù)期設(shè)計(jì)性能滿足使用要求。

2) 根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分體可傾瓦軸承，校核計(jì)算結(jié)果顯示，運(yùn)行工況下前、后軸承的最小油膜厚度均高于25 μm，最大油壓小于10 MPa(表)，說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足承載要求。對(duì)轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，結(jié)果顯示，其一階臨界轉(zhuǎn)速為6 800 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速34 000 r/min以上，轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速滿足避開(kāi)率的要求?？紤]風(fēng)機(jī)葉輪氣流激振因素的情況下，轉(zhuǎn)子的對(duì)數(shù)衰減率為0.89，滿足穩(wěn)定性要求。

3) 機(jī)組組裝完后進(jìn)行了空氣試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組在設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣動(dòng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，風(fēng)機(jī)可工作范圍寬。高速軸位移齒輪箱殼體振動(dòng)速度、高速軸軸承溫度均在設(shè)計(jì)合理范圍內(nèi)。