空分壓縮機組增壓機葉輪流道加工拋光工藝研究

薛吉

摘 要：文章研究了增壓機葉輪加工方法選擇，分析了電加工葉輪變質層控制及去除方法，對比了不同加工方法制造的葉輪流道磨料流前后粗糙度變化情況。結果表明：電加工葉輪可以獲得更低的流道粗糙度，磨料流前粗糙度低的葉輪會獲得更好的拋光效果，磨料流拋光技術更適合應用于電加工葉輪。

關鍵詞：葉輪；電火花；磨料流；粗糙度

引言

空分壓縮機組廣泛應用于煤化工、化肥、煉油等領域，是整個化工流程的核心裝備。目前，全球僅有西門子、曼透平、沈鼓集團等少數企業具備10萬等級及以上空分壓縮機組設計、制造能力。

空分壓縮機組由空壓機和增壓機組成，為長周期連續運轉設備，其增壓機由葉輪進行做功，工作介質為空氣，葉輪效率稍有提升，即可大大降低能源消耗，節約數以百萬計的運營成本。

1 葉輪流道粗糙度對增壓機效率的影響

20世紀70年代以來，壓縮機企業廣泛采用“三元流”設計理論對葉輪子午流道結構尺寸進行優化，改善流場，提升其對內部工作介質做功能力，進而提高效率[1]。

此外，工作介質在葉輪流道中流動時，由于流體存在粘性產生阻力，會造成流動損失，流動損失的計算公式為[2]：

其中：λ-沿程阻力系數；l-流道長度，m；R-流道截面水力半徑，m。

介質在葉輪中高速流動，其沿程阻力系數主要與流道表面粗糙度相關。因此，在葉輪流道加工完成后，對流道進行拋光，降低流糙度，可有效提高葉輪效率。

沈鼓集團劉向東等人，通過對離心壓縮機窄流道閉式葉輪進行磨料流拋光，使葉輪流道粗糙度降低兩個數量級，壓縮機整機效率提高1%左右[3]。

2 增壓機葉輪流道加工及拋光

以某10萬等級空分增壓機為例，共有6級葉輪，其首級葉輪為半開式三元葉輪，2-6級葉輪為閉式三元葉輪。葉輪材質為FV520B，是由英國Firth-Vickers材料研究室開發的一種具有高強度、良好耐蝕性能、沖擊韌性和焊接性能的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，化學成分如表1所示：

2.1 葉輪流道加工方式選擇

為保證葉輪流道加工精度，該增壓機首級葉輪采用五坐標加工中心銑制加工。2、3級葉輪由于流道較寬，通過三維仿真，可采用整體銑制方法進行加工。4-6級葉輪由于流道出口較窄，受刀具可達性限制，無法進行整體銑制，為保證流道精度，選擇電火花加工方式加工。

在電火花加工時，由于葉輪受到局部驟熱、驟冷及高溫、高壓的物理化學作用影響，會在流道表面形成變質層，產生殘余拉應力。由于增壓機葉輪工況為高轉速、高離心力，為保證可靠性與安全性，不能允許變質層存在。

經過H. Ramasawmy 等研究，變質層平均厚度與電火花加工參數經驗公式為[5]：

AWLT=148.5×I0.4×t0.26 （2）

其中：AWLT-變質層平均厚度，μm；I-脈沖峰值電流，A；t-脈寬時間，μs。

上式表明變質層平均厚度取決于峰值電流與脈寬，所以在電火花加工葉輪流道時要通過控制峰值電流大小、脈寬時間及采取粗、中、精分檔加工的方式控制電火花變質層厚度。

2.2 流道拋光加工

在完成葉輪流道加工后，為進一步降低葉輪流道粗糙度，需對流道進行拋光加工。目前，比較理想的方法是采用磨料流技術，不僅可以降低葉輪流道粗糙度，還可以去除電加工變質層[6]。

磨料流是采用半固態流體磨料，在高壓下反復擠壓固定于專用夾具上的工件表面的技術[7]，20世紀60年代最早由美國提出，80年代初引入我國，最早應用于航天領域，對異型孔、薄壁件、復雜型腔的磨削拋光也有很大優勢[8]。

磨料流加工主要受磨料、加工參數、夾具三大因素影響，其中加工參數又與循環次數、加工壓力、磨料流速有關。經過試驗，我們設計了專用夾具，采用專用磨料，選取循環次數30、加工壓力22BAR、磨料流速7dL/sec的參數對增壓機1-6級葉輪流道進行磨料流拋光加工。

3 葉輪磨料流前后粗糙度測定

為檢驗磨料流拋光效果，需對葉輪磨料流前后粗糙度變化情況進行測定，由于葉輪流道為變截面，磨料在加工過程的流速也是變化的，大致如圖1所示：

由圖1可知，在IV處磨料流速最低，拋光效果最差，同時由于葉輪流道扭曲，只有此處便于粗糙度測定。

我們分別選取1級葉輪（半開銑制）、2級葉輪（整體銑制）、4級葉輪（電火花加工），在其出口IV區域120度方向選取3點于磨料流前后進行粗糙度測定，結果如表2所示：

由上表可知，磨料流前粗糙度較低的流道，經過磨料流加工會獲得更好的加工效果；采用電火花方法加工流道比銑制加工能獲得更好的粗糙度效果；電火花葉輪通過磨料流加工不僅能去除變質層，同時粗糙度降低明顯。

4 結束語

通過降低空分壓縮機組增壓機葉輪流道粗糙度，可降低流動損失，有效提高機組效率。相比于五坐標銑制，電火花加工葉輪可以獲得更低的流道粗糙度。

電加工葉輪變質層必須去除，在加工過程中可通過控制峰值電流、脈寬時間等參數降低變質層平均厚度。

磨料流前葉輪流道粗糙度越低，磨料流加工后會獲得更好的加工效果。磨料流加工更適合對電加工葉輪進行拋光，不僅可以去除變質層，而且能夠獲得比銑制葉輪更好的粗糙度效果。

參考文獻

[1]周建新.運用“三元流”技術對煤氣鼓風機的增容改造[J].機械工程與自動化，2005：106-107.

[2]楊詩成，王喜魁.泵與風機（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]劉向東，季田，龐占元，等.離心壓縮機葉輪流道磨料流拋光及其對壓縮機效率的影響[J].組合機床與自動化加工技術，2009（3）：12-15.

[4]劉曉禹，于麗萍.熱處理對馬氏體不銹鋼FV520B的組織和力學性能的影響[J].一重技術，2005（4）：27-28.

[5]Ramasawmy H，Blunt L，Rajurkar K P.Investigation of the relationship between the white layer thickness and 3D surface texture parameters in the die sinking EDM process[J].Precision Engineering，2005，29：479-490.

[6]Loveless T R，Williams R E，Rajurkar K P.A study of the effect of abrasive flow finishing on various machining machined surfaces[J].Journal of Materials Processing Technology，1994（47）：133-151.

[7]高航，吳鳴宇，等.流體磨料光整加工理論與技術的發展[J].機械工程學報，2015（4）：174-187.

[8]周錦進，方建成，徐文驥.光整加工技術的研究與發展[J].制造技術與基礎，2004（3）：7-11.