一、引言

組裝式離心壓縮機(jī)又稱(chēng)為組裝型整體齒輪增速式離心壓縮機(jī),近年來(lái)在世界上發(fā)展得很快。我國(guó)對(duì)這種壓縮機(jī)的需求量很大,廣泛應(yīng)用在冶金、空分裝置、石化、制藥、動(dòng)力站等各個(gè)領(lǐng)域。由于我國(guó)以前不能生產(chǎn)組裝式壓縮機(jī),基本上都依靠進(jìn)口。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)每年進(jìn)口的不同型號(hào)的這種壓縮機(jī)近100臺(tái)。我公司經(jīng)過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā),已經(jīng)研制成功這種組裝式壓縮機(jī)并且初步形成系列,不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有一席之地,而且部分產(chǎn)品已經(jīng)銷(xiāo)售到國(guó)外。本文根據(jù)組裝式壓縮機(jī)的主要特點(diǎn),介紹了這種壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化發(fā)展趨勢(shì)等問(wèn)題。

二、組裝式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn)

與一般的單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)不同,組裝式離心壓縮機(jī)采用了多軸多轉(zhuǎn)速、每級(jí)一冷卻、各級(jí)軸向進(jìn)氣和齒輪箱、蝸殼集成在一起的結(jié)構(gòu)。

由于結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別,組裝式離心壓縮機(jī)具有一般單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)所不能具備的優(yōu)點(diǎn)。

1.更接近等溫壓縮的過(guò)程

在分析壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程時(shí)通?？梢苑譃榈葴剡^(guò)程、絕熱過(guò)程和多變過(guò)程,其中等溫過(guò)程的壓縮功是z*小的。當(dāng)然完全的等溫壓縮是不可能的,但可用等溫效率來(lái)衡量壓縮機(jī)的耗功,也就是說(shuō)壓縮過(guò)程越接近等溫過(guò)程也就越省功,效率就越高。組裝式離心壓縮機(jī)由于采用了每級(jí)一冷卻的方式,使其實(shí)際的壓縮過(guò)程盡量接近等溫壓縮,因此這種壓縮機(jī)在相同條件下比其他形式壓縮機(jī)更省功,效率更高。

2.各級(jí)葉輪在更佳的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行

葉輪在不同的轉(zhuǎn)速下具有不同的流量系數(shù)和能頭系數(shù)。在多級(jí)離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中,各級(jí)葉輪的流量系數(shù)、能頭系數(shù)、轉(zhuǎn)速、直徑等參數(shù)必須匹配,否則機(jī)組就不能在z*佳的狀態(tài)下工作。傳統(tǒng)的單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)迫使較多的葉輪必須在同一個(gè)轉(zhuǎn)速下工作,對(duì)壓縮機(jī)的性能匹配和工況范圍造成一定的影響。而組裝式離心壓縮機(jī)采用了多軸多級(jí)的方式,同一轉(zhuǎn)速下z*多只有兩個(gè)葉輪,這樣就優(yōu)化了機(jī)組的整體性能。同時(shí)由于多軸的結(jié)構(gòu),可以使每級(jí)葉輪都實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)氣,減小進(jìn)口氣流的損失,提高機(jī)組效率。

3.工況調(diào)節(jié)范圍更寬

為了使機(jī)組的工況范圍更寬,組裝式離心壓縮機(jī)在進(jìn)口處安裝了葉片調(diào)節(jié)器。由于在結(jié)構(gòu)上進(jìn)口調(diào)節(jié)器與葉輪進(jìn)口很近,葉片調(diào)節(jié)器不僅可以通過(guò)進(jìn)口節(jié)流的方式根據(jù)用戶管網(wǎng)的變化對(duì)壓縮機(jī)的壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),而且可以通過(guò)改變進(jìn)口氣流與葉輪旋轉(zhuǎn)方向的角度(進(jìn)氣預(yù)選調(diào)節(jié))改變壓縮機(jī)的功耗,真正起到節(jié)能的作用。

4.結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝方便

組裝式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)非常緊湊,從剖面圖中可以看到它的蝸殼直接裝配在齒輪箱上,而且在整體布置上,是將壓縮機(jī)本體(含齒輪箱)、油箱和潤(rùn)滑油系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)甚至較小機(jī)型的中間氣體冷卻器都組裝到一個(gè)公用底座上。不僅占地面積小,而且安裝調(diào)試非常方便,基礎(chǔ)施工相對(duì)簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間短,深受用戶歡迎。當(dāng)然,組裝式離心壓縮機(jī)也有它的不足之處:由于結(jié)構(gòu)的限制,目前z*高只能達(dá)到7～8級(jí)壓縮,當(dāng)機(jī)組壓比太大時(shí)并不適用;受結(jié)構(gòu)的限制,密封尺寸和安裝方式?jīng)Q定了暫時(shí)還不能作為石油化工企業(yè)中的原料壓縮機(jī)等。

三、組裝式壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

組裝式離心壓縮機(jī)具有很多的優(yōu)點(diǎn),但其設(shè)計(jì)和制造相對(duì)復(fù)雜。在開(kāi)發(fā)這種壓縮機(jī)時(shí)不僅要對(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和試驗(yàn),還需要對(duì)許多關(guān)鍵的單元技術(shù)進(jìn)行先期或平行的研究和開(kāi)發(fā)。

1.高性能的模型級(jí)基本級(jí)

是壓縮機(jī)的核心部分,也是壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù),基本級(jí)性能的高低直接影響壓縮機(jī)的整機(jī)效率。組裝式壓縮機(jī)適用的模型級(jí)以高壓小流量為主,為了提高壓比葉輪轉(zhuǎn)速很高,氣流速度接近甚至超過(guò)音速,而且流量小,流道中的摩擦損失大,流動(dòng)情況復(fù)雜,需用三維粘性分析技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)的模擬分析。這類(lèi)跨音速的高壓小流量模型級(jí)研究的難度較大。我公司利用引進(jìn)的NREC、NUMECA和國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)分析軟件對(duì)這種半開(kāi)式高馬赫數(shù)的模型級(jí)做了多年的研究開(kāi)發(fā)工作,先后研制了DHK-65、DHK-40模型級(jí)和NRECA1、A2、A3等基本模型級(jí),整體性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

2.可靠的強(qiáng)度分析和振動(dòng)分析

組裝式離心壓縮機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備,目前我公司生產(chǎn)的這種壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到近50000r/min,葉輪圓周速度z*高的已超過(guò)450m/s。在這種情況下,旋轉(zhuǎn)部件的強(qiáng)度校核和機(jī)組的振動(dòng)分析顯得格外重要。葉輪計(jì)算包括在離心力作用下葉輪的強(qiáng)度計(jì)算、葉輪在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片的位移量、葉輪孔與軸之間的過(guò)盈量及松動(dòng)轉(zhuǎn)速計(jì)算等。轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析計(jì)算包括各個(gè)轉(zhuǎn)子的一階、二階、甚至三階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算、轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)計(jì)算、軸系的振動(dòng)分析等。

3.高效換熱器

換熱器的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)不僅影響到機(jī)組的耗水量、出氣溫度,而且對(duì)機(jī)組的氣動(dòng)性能也有很大的影響。我公司與西安交通大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了冷卻器設(shè)計(jì)程序,結(jié)合引進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)出了組裝式離心壓縮機(jī)新的冷卻器系列。為了進(jìn)一步提高冷卻器的換熱效率,減小冷卻器體積并大幅度降低耗水量,我公司還開(kāi)發(fā)出了內(nèi)肋片式的高效冷卻器。用于本系列壓縮機(jī),可以提高整機(jī)的氣動(dòng)性能。

4.齒輪與軸承技術(shù)的研究

組裝式離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)一般要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2年或3年,每個(gè)工作軸的轉(zhuǎn)速一般都在20000～50000r/min之間,齒輪轉(zhuǎn)速比在10～20之間,齒輪周速達(dá)到120～150m/s,軸承周速也超過(guò)80m/s。這種高速比的高速齒輪和軸承在設(shè)計(jì)和制造上是有相當(dāng)難度的,因此齒輪技術(shù)的研究也是組裝式離心壓縮機(jī)的一個(gè)重要課題。

5.機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

由于這種壓縮機(jī)具有多軸、高速旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn),同時(shí)又要求結(jié)構(gòu)布置極其緊湊,因此在研制這種壓縮機(jī)時(shí)需要解決許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如轉(zhuǎn)子各零部件的結(jié)構(gòu)造型和裝配形式都要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算和試驗(yàn),既要保證零部件本身的使用功能可靠,又要考慮到旋轉(zhuǎn)零部件的應(yīng)力、應(yīng)變和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性、軸系的振動(dòng)特性等,是一個(gè)與多學(xué)科相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題。

四、組裝式壓縮機(jī)的國(guó)產(chǎn)化

我公司自行研究的SVK型組裝式離心壓縮機(jī)目前已經(jīng)形成系列的有SVK2、SVK4、SVK6、SVK8、SVK12、SVK16、SVK20和SVK25、SVK32等機(jī)型,可以輸送空氣和氮?dú)?流量范圍從2000～35000m3/h,壓縮機(jī)包括1級(jí)、2級(jí)和3級(jí),壓比可以從1.5～11。根據(jù)用戶的不同使用條件和要求,這些壓縮機(jī)也可以被設(shè)計(jì)成為4級(jí),壓比可以達(dá)到20左右。在SVK型組裝式離心壓縮機(jī)系列產(chǎn)品逐步完善并形成一定的生產(chǎn)能力以后,又開(kāi)始研制4軸的高壓組裝式離心壓縮機(jī)。這種壓縮機(jī)z*多可以進(jìn)行6級(jí)壓縮,壓比可以達(dá)到60左右。預(yù)計(jì)到2004年,這種多軸的組裝式離心壓縮機(jī)將會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)。現(xiàn)已形成完整系列并已在實(shí)際中得以應(yīng)用的SVK型組裝式離心壓縮機(jī)。

五、結(jié)論

組裝式離心壓縮機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn),但目前由于技術(shù)原因尚不能適用于所有的場(chǎng)合,隨著壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷提高,它的應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越寬。我國(guó)組裝式離心壓縮機(jī)雖然起步較晚,并且到目前為止z*高只能達(dá)到4級(jí)壓縮,但近幾年已經(jīng)生產(chǎn)了60余臺(tái)機(jī)組,不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有一席之地,而且少量產(chǎn)品出口到國(guó)外。預(yù)計(jì)一年以后,國(guó)產(chǎn)的5～6級(jí)的多軸組裝式離心壓縮機(jī)即可面世,并在2～3年內(nèi)能夠達(dá)到年產(chǎn)80臺(tái)各種形式的組裝式離心壓縮機(jī)的能力,取代更多的進(jìn)口設(shè)備。