4萬等級空分組裝式壓縮機研制

金鑫

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110000）

4萬等級空分組裝式壓縮機研制

金鑫

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110000）

隨著空分行業的發展，多軸組裝式壓縮機其高效率，低成本，小占地，易于系列化等的優勢逐漸體現，成為行業的主流，是西門子、曼透平等公司的主打產品，其效率優勢和成本優勢極其顯著。因此研制中、大型組裝式空壓機成為國內各空分壓縮機制造廠的重中之重。本文對4萬等級空分組裝式壓縮機研制進行研究分析。

4萬等級 空分壓縮機 組裝式

原料空氣壓縮機組是整個裝置中的核心設備，本項目壓縮機組由6極原動機和多軸組裝式壓縮機通過2300mm長度的膜片聯軸器連接組成。壓縮機共有3個轉子：兩個高速轉子，一個低速轉子，三個半開式葉輪通過三級壓縮來實現。兩個高速轉子對應不同的轉速，葉輪直徑也大不相同，這樣可以保證每級葉輪都處于最佳效率點。在L軸和H軸中間是大齒輪軸，可以充分的將L軸H軸拉開，使每級擴壓器和蝸殼有足夠的空間，都能充分擴壓。空壓機和電機放置在二樓，整個機組中設置兩個段間冷冷卻器，均采用翅片管結構，有效的增加散熱面積，降低氣冷尺寸，氣冷布置在一樓機組下部，結構緊湊，占地小，節約空間。在機組入口設置在線噴水裝置，可以有效降低葉輪上的積灰，提高轉子的運轉時間。同時由于轉子重達20噸，啟動對電網沖擊很大，易破壞軸瓦，因此對大齒輪軸承增加頂升孔，通過30公斤的頂升油在機組啟動前，變將大齒輪頂起來，使得整個機組的靜摩擦力矩減少60%以上。

空分裝置運轉起來之后，其原料為大氣，最主要的成本就是壓縮機的耗功，因此壓縮機的氣動性能是整個產品設計的關鍵，是用戶最為關注的參數。氣動性能一方面要求效率要高，其次是設計點選取合理，要準確，保證機組在高效點運行，最后是機組調節范圍要寬廣，即要滿足設計點功耗，又要滿足額定點和最小工況，即要適應夏天炎熱高溫，又要適應冬季的最小溫度。本機組第一段采用高能頭高效半開葉輪，周速達到380m/s，效率最高，承擔的壓比最大，輪子本身的工作范圍相對窄些，因此在第一級入口設置導葉，通過改變氣體進口角度，正負預旋，調節機組的工況范圍。由于進口導葉，葉輪葉片，出口擴壓器葉片，三者各有其固有頻率，相互脈動，因此不僅僅要通過SNSYS建模分析計算葉輪強度，還有計算其固有頻率，確保其不會發生疲勞斷裂。

通過采用高效半開葉輪，由于其流量系數在0.12-0.16左右，大大高于閉式葉輪的0.06-0.1，因此可以大大降低葉輪直徑，減小重量，節約成本。在保證機組性能的同時，通過不斷優化葉輪結構，雖然周速達到340-380m/s，遠大于閉式葉輪的280m/s，但是由于強度好，因此可以采用低一等級的葉輪材料，比高等級材料節約一半的成本。

由于是懸臂葉輪，因此要與主軸連接，根據葉輪特性，采用法蘭盤連接，整個轉子扭矩通過螺栓來傳遞，要求螺栓強度必須要高，而且計算要準確，否則發生螺栓斷裂造成的后果將非常嚴重，通過轉子質量、轉速、推力、葉輪重量、重心、摩擦系數、預緊系數、剛性系數等參數，準確的計算出螺栓圓直徑，和螺栓直徑與數量，并采用集團自主研發的特制螺栓：特殊的螺栓材料和特殊的加工工藝，其屈服強度大于1030MPa，遠高于市場上的通用螺栓，確保轉子的穩定性。

型環間隙對機組的氣動性能影響非常大，如何保證合理的間隙是個難題，通常有以下幾個因素：由葉輪高速旋轉的離心力產生應力變形量；由葉輪溫度升高產生的熱變形；由每級葉輪兩側的氣體作用力不一致產生的軸向力帶來的轉子竄動；軸承間隙；由潤滑油熱量產生的軸的熱位移。通過上述5個方面計算，能夠得出理論的間隙，但由于一些參數數變化的，計算不準確，會有一定的偏差，對機組性能或者安全性產生一定的影響。本產品通過特殊的方法，測出產品運轉時的真實間隙，并采用經過試驗驗證的，在大面積，高流速，高壓力下也不會發生脫落的全新涂層技術，保證機組在突發事件中也不會發生型環刮碰現象，從而保證整機效率。

葉片擴壓器設計：葉片擴壓器一方面要保證機組的效率和寬廣的工況范圍等壓縮機性能參數，另外一方面如果葉片與葉輪頻率偶合不好的話，會造成氣體波動，從而帶動氣體管路振動，通過對擴壓器入口角進行部分切削，在保證性能的前提下，減少管路振動，降低機組噪音；大型排氣蝸殼性能分析與優化；離心壓縮機排氣蝸殼的作用是收集擴壓器出口的氣體并輸送到氣管路，其內部流動狀態直接影響到整級乃至整機的氣動性能以及振動、噪聲等指標，其重要性在大型離心壓縮機中尤為突出。因此通過對排氣蝸室進行流動模擬以及幾何形狀優化，在原有基礎上提高機組性能2%左右，通過對整個內部流到進行拋光，還能提高效率1.5%左右。

由于功率大，需要的潤滑油多，齒輪箱內會產生大量的油煙，僅通過油站上的排煙風機無法保證油煙泄露，因此，一方面通過改進油封結構，削尖密封齒，增大回油孔，充密封氮氣，另外在齒輪箱頂部增加排煙風機，帶油氣分離器，確保不發生油煙泄露。對氣體密封進行全新設計，通過采用全新結構和材料的氣封-peek密封，可以降低密封間隙30%，盡可能的減小泄露量，保證機組效率。

齒輪箱技術，國內和國外知名廠家一直在效率水平，加工能力上存在差距，本機組通過大量計算，結構分析與不斷優化，把1-3級定子一起與齒輪箱建模，進行力學分析，一方面計算其強度，另一方面計算整個機組各管口的位移，為管路配管奠定良好的基礎；大齒輪齒環的鍛造和加工工藝，超大齒輪箱的結構設計和焊接工藝等都進行了大量的創新，確保齒輪箱在全負荷條件下，也不會發生變形；通過提高齒輪加工精度，優化噴油設計提高了齒輪的傳遞效率；通過改進油封設計，增加排煙口等方式避免油煙泄露；同時在滿足強度的情況下，對大齒輪齒環等進行減重優化，最終完成了國內自主設計制造的最大的多軸齒輪箱：大齒輪直徑3m，齒輪箱長5.5m，寬1.8m，高3.5m，重達50余噸，為大型空分裝置組裝式壓縮機的完全國產化做出了巨大的貢獻。

整個機組嚴格執行API672，API613，API614，，API671，API670，API615國際通用技術標準以及，AGMA6011，GB151等標準，各項指標均達到國際先進水平。

［1］郭大剛，王延麗，張偉.螺桿壓縮機使用小議［J］.科技創新導報，2013（24）.