大型組裝式壓縮機排氣蝸殼優化設計

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

組裝式空分壓縮機，結構相對簡單，軸向進氣，進氣室效率高，優化空間有限，葉輪基本級各廠家經過多年的發展，葉輪的級效率已經很難再提高，細微的提升對機組的效率影響很小，因此只能著重優化定子件，提高機組效率。蝸殼是整個定子件中最為重要，對效率影響最大的部件，他的主要作用是將從擴壓器或者葉輪（無擴壓器時）排出的氣體匯集起來，引到機外輸氣管道或者冷卻器中去，并起到擴壓作用，將300～380m/s的動能大部分轉化成壓力能。對應組裝式壓縮機，蝸殼的大小對機組的成本有著至關重要的作用。本文主要對組裝式壓縮機蝸殼進行研究，提高效率，降低外徑。

1項目背景

對于組裝式空壓機，其蝸殼只有早期有部分焊接蝸殼，其余均為鑄造蝸殼。鑄造蝸殼易于系列化，氣體流動效果好。傳統的鑄造蝸殼有兩種形式，一種流道為橢圓結構，一種流道為圓形結構，流道為橢圓結構時，蝸殼的外徑小，對于組裝式壓縮機來說，不僅僅是蝸殼重量的減小，蝸殼成本的減少，更為重要的是齒輪箱中心距的減小，橢圓蝸殼結構的中心距較圓型結構減少約7%的齒輪箱中心距，齒輪箱箱體成本，齒輪對成本均下降。圓型蝸殼相對來說流動效率要好，比橢圓型蝸殼要高0.5%左右，但是外徑大，蝸殼成本高，齒輪箱中心距大。兩種蝸殼均有一個共同的特點，就是等基圓，通過長為1.8倍的葉輪直徑擴壓器后，進入蝸殼，1.8倍葉輪直徑為蝸殼的基圓。

2 項目內容

蝸殼基圓及截面型線確定蝸殼對壓縮機的效率影響非常大，一個好的蝸殼和一個不合理的蝸殼，效率會相差到兩個百分點甚至更多。傳統的焊接機殼，其蝸室為方形，各截面面積是根據老的單軸離心機排氣蝸室設計規范進行規劃，沒有進行過詳細的氣動分析。蝸殼的截面積是通流效率的有利保證，為了降低蝸殼的外徑，主要需要改變的就是蝸殼的基圓，如何降低基圓直徑成為研究的重點，經過大量的CFD對比分析計算(如圖1)，將等基圓外置蝸殼，改成變基圓內置蝸殼，即蝸殼的基圓直徑是變化的，而且均小于1.8倍的葉輪直徑，在通過擴壓器進入蝸殼時，蝸室向內收斂（如圖2）。

圖1 蝸殼整體流場分析

圖2 360度截面流場

蝸殼出風口設計：首先通過流速確定出風口直徑：計算壓縮機蝸殼出風口氣流速度，是以額定工況的出口容積流量和出口法蘭截面的實際直徑進行計算。出口氣流流速V=Q/(3600 X S)式中：S=πX D X D/4。對于空壓機，按照設計規范，出口速度推薦值V：≤40m/s，最大不超過45m/s。其中：V：蝸殼出口法蘭處流速，單位m/s；Q：蝸殼出口法蘭處容積流量，單位m3/h；S：蝸殼出口法蘭處截面積，單位m2；D：蝸殼出口法蘭處直徑，單位m；π：圓周率在具體設計中，如果空間位置允許的情況下，應盡量降低出口流速，以確保機組效率。出口速度推薦值V：38m/s，最大盡量不超過42m/s。出風筒設計時，在滿足流速的同時，要保證出口法蘭截面和360°截面之間的過渡角即出口擴張角小于9°，即出風筒的長度要足夠，擴張角不能太大。

蝸殼材料選擇：出于成本等方面的考慮，蝸殼材料應該有高、低兩種配置，在壓力較低時，即使在水壓試驗壓力下，蝸殼的強度也非常好，應力較小。因此，蝸殼材質可以選用成本相對低一些的，比如球墨鑄鐵或者灰鑄鐵。球墨鑄鐵材質機械性能優于灰鑄鐵HT250，成本與之相差不大，遠低于鑄鋼材料（ZG230-450），因此低壓時，蝸殼材質采用QT400-18。出口法蘭厚度大于標準法蘭厚度并圓整，預留鑄造余量，在選擇法蘭標準時，要充分考慮到溫度對法蘭強度的影響。當壓力較高時（如圖3），比如排氣壓力大于40bar時，水壓試驗壓力一般為工作最高壓力的1.5倍，試驗壓力較高，考慮到結構空間限制及齒輪箱中心距等成本要求，蝸殼厚度不能無限加大，因此，蝸殼材料可考慮采用ZG230-450，提高蝸殼強度。

圖3

蝸殼技術要求：（1）鑄件應符合JB/T6887-2004技術條件。（2）鑄件應做消除內應力處理。（3）鑄件應徹底清除毛刺、沙粒等，鑄件表面要求光滑。（4）未注鑄造圓角R10。（5）尺寸自由公差達到GB/T6414-1999 CT11級。（6）蝸殼鑄造后，流道進行修磨，表面粗糙度達到GB/T6060.1-1997 Ra25。其中增加第f條，在成本影響不大的情況下，提高了蝸殼的效率，保證了機組性能的實現。

蝸殼支撐：當蝸殼重量大于30噸時，由于蝸殼較重，且蝸殼懸掛在齒輪箱上，因此蝸殼重量會對齒輪箱強度及變形量帶來較大的影響，蝸殼特別重時，齒輪箱止口位置變形量會達到3mm以上，并且影響葉輪的型環間隙：型環間隙會出現偏心，對機組的氣動性能及運轉的安全穩定等方面，都會帶來不良影響，為了降低蝸殼較重時帶來的不良影響，需要在蝸殼下部增加彈性支撐，彈性支架數據根據機殼重量，熱位移等數據計算，支撐具體位置根據管路走向而確定，增加支撐，彈簧支架直接坐在底座上，不需要額外增加基礎。

蝸殼內表面處理：由于蝸殼鑄造時表面容易凸凹不齊，會影響機組的性能，因此需要對蝸殼內表面進行處理，可采用特殊工藝手段。通過專門設計10：1比例的小蝸殼，分別對流道內表面不處理，表面固溶，表面拋光等工藝手段，分別做性能對比試驗，從而驗證出在成本增加很小的情況下，提高蝸殼表面光潔度，蝸殼效率可以提高1%左右。

3 結語

模型級的效率每個廠家提升到了自己的較高水平，再有所提高很困難，因此，全新蝸殼的開發成功，提高了機組效率，降低了機組成本，從而提高了機組的整體競爭力，在每年約30個億的國內空分壓縮機市場中一定會得到更優異的表現。