mco系列多級離心壓縮機的設(shè)計

mco系列多級離心壓縮機的設(shè)計

0空分壓縮機的研制在冶金和化工過程中，空分是一個重要的裝置。隨著冶金、化肥裝置的大型化,相應(yīng)的空分裝置規(guī)模也越來越大。在大空分裝置中,壓縮機是核心設(shè)備,其穩(wěn)定性、可維護(hù)性以及能耗高低都是衡量空分裝置技術(shù)水平的重要指標(biāo)。因此開發(fā)設(shè)計滿足市場需要的新型空分壓縮機就成為透平壓縮機制造廠的重中之重。以前在1~3萬Nm3/h空分規(guī)模上,國內(nèi)各透平機械廠都沒有獨立設(shè)計制造合理配置的高效單軸離心壓縮機的能力,因此該項技術(shù)的開發(fā)對大型空分國產(chǎn)化,具有重大意義。此次研制的MCO系列離心壓縮機直接由汽輪機驅(qū)動。在同種設(shè)計參數(shù)條件下,MCO壓縮機與常規(guī)雙缸壓縮機方案相比多變效率提高4%~5%,相當(dāng)于雙缸方案(DMCL+2MCL),接近于組裝式壓縮機效率。MCO系列單軸懸臂多級離心壓縮機產(chǎn)品型號以MCO1004為例含義如下:M表示主體結(jié)構(gòu)為水平剖分;CO表示懸臂離心壓縮機;100表示首級壓縮機葉輪名義直徑為1000mm;4表示該壓縮機共有4個葉輪。1葉輪的優(yōu)化設(shè)計空分用空壓機參數(shù)范圍比較穩(wěn)定,進(jìn)口壓力為大氣壓,排氣壓力一般在0.62MPa(A)左右,進(jìn)口溫度一般為28℃,流量根據(jù)空分規(guī)模的不同,變化較大。針對該種參數(shù),常規(guī)單軸壓縮機需要采用5級周速相近的閉式葉輪完成壓縮,以保證總的加功量。這樣最后3級則由于流量較小造成流道較窄,整機效率不能太高。利用原有技術(shù)采取變型設(shè)計則可采用雙吸方案,前兩級雙向進(jìn)氣(4個葉輪實現(xiàn)),后3級單向進(jìn)氣,減小了葉輪直徑,這樣各級都可采用流道較寬的高效葉輪,整機效率得到了明顯提高。但是雙吸方案由于增加了兩個葉輪,單缸方案受轉(zhuǎn)子動力學(xué)限制不能實現(xiàn),必須采用雙缸方案,造成了制造運行成本的增加。針對這一特定參數(shù),如何在氣體動力學(xué)與轉(zhuǎn)子動力學(xué)兩個矛盾中找到突破口,既不增加葉輪,又可使各級葉輪相匹配,選用高效基本級就成為問題的關(guān)鍵。2機組研制開發(fā)任務(wù)的研究MCO系列壓縮機從氣動性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子動力學(xué)等方面都與常規(guī)機組不同,在大量的調(diào)查研究工作后,綜合了多種類型透平機械的先進(jìn)技術(shù),最終完成了機組的研制開發(fā)任務(wù)。2.1級閉式高效葉輪2.1.1在組裝式壓縮機設(shè)計中,常采用半開式葉輪。由于沒有輪蓋,在同樣強度材料下其允許周速明顯高于閉式葉輪。同時在不犧牲效率與運轉(zhuǎn)范圍(帶進(jìn)口導(dǎo)葉)的情況下,單級壓比一般都可達(dá)到2.1左右;同時由于其允許周速要比閉式葉輪高得多,在同樣轉(zhuǎn)速下,可以吸入更大流量。如果采用大流量半開式葉輪作為第一級應(yīng)用于單軸壓縮機上,即可取代兩級閉式葉輪。這樣,后幾級閉式葉輪周速較低,葉輪直徑較小可采用寬三元高效基本級,提高了整機效率,相當(dāng)于雙缸方案。2.1.2如上所述,氣動問題的解決方案是一級半開式高效葉輪(帶進(jìn)口導(dǎo)葉),三級閉式寬三元高效葉輪滿足空分用空壓機氣動性能的需要。這樣,如何在一個缸中實現(xiàn)其合理布置以滿足轉(zhuǎn)子動力學(xué)要求就成為解決問題的關(guān)鍵。在研制向心膨脹機+離心壓縮機整合機組中,曾采用一級向心膨脹機懸臂布置在單軸多級離心壓縮機的外側(cè)的結(jié)構(gòu)方案。在此啟發(fā)下,確定了壓縮機的結(jié)構(gòu)方案,即第一級半開式高效葉輪布置在懸臂端,一級壓縮后即進(jìn)行冷卻,再進(jìn)入第二、三級閉式葉輪壓縮,冷卻后進(jìn)入第三級壓縮,保證出口溫度低于100℃。這樣單缸布置,兩次中間冷卻,整機效率可與單軸雙缸方案及組裝式壓縮機相當(dāng),極富市場競爭力。2.2氣動優(yōu)化方案設(shè)計采用CALC300進(jìn)行了離心壓縮機氣動設(shè)計分析計算及熱物性計算。CALC300采用LKZX(對比壓力、對比溫度、偏心因子、極性系數(shù))四參數(shù)通用對比態(tài)(對比參數(shù)都相同的狀態(tài))方程,利用高效半開式葉輪、高效閉式葉輪基本級計算出的優(yōu)化方案,保證壓縮機耗功低,穩(wěn)定運轉(zhuǎn)范圍寬。為保證氣動計算的準(zhǔn)確性,該程序包不僅對葉輪進(jìn)行了氣動設(shè)計,還對蝸室(機殼)進(jìn)行了氣動設(shè)計,有效地避免了由于不合理蝸室的設(shè)計帶來氣流混亂,最終導(dǎo)致離心壓縮機效率下降的問題。在變工況性能分析中,考慮了轉(zhuǎn)速變化、進(jìn)口氣流角變化和部分進(jìn)氣角度變化3種性能調(diào)節(jié)方式對離心壓縮機氣動性能的調(diào)節(jié)作用,有效地滿足了不同應(yīng)用場合對離心壓縮機性能調(diào)節(jié)能力的要求。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1圖1顯示了單軸懸掛臂的多級離心方案的結(jié)構(gòu)配置2.3.2第一懸臂葉片安裝類型確定采用橫鍵加立鍵傳遞扭矩,小過盈錐軸配合保證葉輪前半部分在高速旋轉(zhuǎn)時不松動。2.3.3選擇考驗懸臂端半開式葉輪周速高,質(zhì)量重,對壓縮機臨界轉(zhuǎn)速和葉輪材料的選擇都將是一個考驗;必須設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理的葉輪,在保證強度的前提下,減輕葉輪質(zhì)量。同時考慮加工設(shè)備的承受能力,熱處理后材料硬度控制在310HB左右,即屈服強度等級控制在833MPa以下。2.3.4鋼板拼接焊接主要考慮保證剛度前提下減輕質(zhì)量,以保證裝配后重力作用下變形小。由于壓力較低,采用25mm鋼板拼焊而成。與壓縮機端法蘭連接處,止口設(shè)計得較寬,以保證裝配剛性。由于流量較大,該蝸室設(shè)計為變截面流道,同時考慮下料及焊接方便,變截面采用螺旋板實現(xiàn)。2.3.5進(jìn)口導(dǎo)葉的預(yù)旋作用由于半開式葉輪性能曲線較短,為適應(yīng)空分壓縮機組變工況的需要,增加了進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器。對于壓縮機來講,進(jìn)口導(dǎo)葉設(shè)計得離葉輪比較近時,其預(yù)旋作用比較明顯,調(diào)節(jié)性能更好。此次設(shè)計采用氣動執(zhí)行機構(gòu),通過平行傳動機構(gòu)驅(qū)動導(dǎo)葉葉柄,避免了導(dǎo)葉執(zhí)行機構(gòu)在傳動過程中,由于直線與弧線的匹配誤差造成執(zhí)行器指示角度與導(dǎo)葉實際角度的誤差。2.3.6mec軟件流場分析技術(shù)的效果MCO1004模型級采用三元流動葉輪和高效二元輪。我公司一直在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上致力于高效葉輪的開發(fā)。通過與中科院聯(lián)合開發(fā)三元流設(shè)計軟件,引進(jìn)美國NREC軟件和NUMEC軟件,在流場分析技術(shù)上完全達(dá)到了國際先進(jìn)水平。在完成了高效基本級設(shè)計的基礎(chǔ)上,通過大量的模型級試驗,形成了完備的高效葉輪系列,其中包括寬三元、窄三元、高效二元、高效窄二元。自80年代中期應(yīng)用于離心壓縮機設(shè)計中以來,取得了良好的現(xiàn)場運行效果,壓縮機運行效率顯著提高。特別值得注意的是我公司開發(fā)的基本級在理論分析的基礎(chǔ)上,更注重實踐研究。即所有模型級的性能數(shù)據(jù)均通過大量的試驗得出。所以壓縮機理論計算值與實際運行值能很好地吻合。這也就保證了壓縮機各項性能指標(biāo)能夠嚴(yán)格滿足要求。2.3.7轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸影響壓縮機效率的另一個方面是定子。壓縮機內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換可以簡單地認(rèn)為在轉(zhuǎn)子和定子兩部分進(jìn)行。通過葉輪旋轉(zhuǎn),壓縮介質(zhì)獲得靜壓能和動能,大部分動能要經(jīng)過定子中的擴(kuò)壓器、蝸室來轉(zhuǎn)化成壓力能。由于存在能量轉(zhuǎn)換,因此定子件的效率也直接影響壓縮機的整機的效率。2.3.8焊接機殼壓縮機自1992年第一臺2MCL1005離心壓縮機焊接機殼研制成功,并獲得遼寧省科技進(jìn)步二等獎以來,我公司已生產(chǎn)焊接機殼壓縮機數(shù)百臺。目前,我公司壓縮機幾乎全部采用焊接機殼。焊接機殼徹底解決了鑄造機殼頻頻出現(xiàn)的氣孔、夾渣、裂紋等缺陷,不僅保證了壓縮機制造質(zhì)量,而且確保了產(chǎn)品的交貨期。2.3.9通流部分的試驗我公司開發(fā)設(shè)計的高效率模型級不僅僅局限于葉輪,而是包括整級的通流部分,即葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器。并且試驗也是針對整級的,因此試驗的數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了整個級的性能。這種開發(fā)方式不僅能使動靜元件之間形成良好匹配,同時可以確保壓縮機的性能。2.3.1葉輪性能偏差壓縮機進(jìn)氣、排氣蝸室對于壓縮機的性能的影響也是至關(guān)重要的,進(jìn)氣蝸室型線的優(yōu)劣直接影響壓縮機首級葉輪進(jìn)口流場的速度分布,更可能導(dǎo)致該級葉輪性能出現(xiàn)偏差。而首級葉輪性能的偏差對于壓縮機整機性能的影響是巨大的。排氣蝸室型線的優(yōu)劣將直接影響壓縮機的出口壓力。我公司與中科院聯(lián)合開發(fā)的壓縮機進(jìn)、排氣蝸室三元粘性流動分析軟件,有效地應(yīng)用于MCO1004機殼設(shè)計中,使之具有最優(yōu)型線,提高了整機的性能。2.4臨界轉(zhuǎn)速不平衡該機組的轉(zhuǎn)子動力學(xué)是設(shè)計中的關(guān)鍵,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須充分考慮。在方案設(shè)計中,一切都圍繞轉(zhuǎn)子動力學(xué)優(yōu)化這一點考慮。鑒于壓縮機組在整個工藝流程中的核心地位,必須保證機組的安全穩(wěn)定。在單軸懸臂離心壓縮機組推出過程中,首先瞄準(zhǔn)空分市場主風(fēng)機,是建立在主風(fēng)機特定參數(shù)的基礎(chǔ)上的。這樣設(shè)計出的轉(zhuǎn)子通常工作轉(zhuǎn)速是在二、三階(RBSP計算)之間,并有較大的隔離裕度。另外該機組在臨界轉(zhuǎn)速計算和不平衡響應(yīng)分析中采用與西安交通大學(xué)、上海復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的RBSP軟件,該軟件同樣采用有限元法,力學(xué)模型完善,計算精度高,并且計算中充分考慮了軸承的剛度系數(shù)和阻尼,其計算得到的臨界轉(zhuǎn)速振型曲線經(jīng)大量試驗,具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。首先采用固定轉(zhuǎn)速下臨界轉(zhuǎn)速計算預(yù)估出與工作轉(zhuǎn)速相關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速個數(shù),再去尋找具體的臨界轉(zhuǎn)速。這樣可以避免理論計算過程中,因為不平衡響應(yīng)點的設(shè)置不完善,未激出波峰而漏掉某一階臨界轉(zhuǎn)速的錯誤。同時該機組在臨界轉(zhuǎn)速計算中考慮了半開懸臂葉輪的集中直徑轉(zhuǎn)動慣量,使計算能夠更精確地考慮半開懸臂葉輪的影響,以更接近真實轉(zhuǎn)子。進(jìn)風(fēng)筒設(shè)有噴水裝置,可有效地避免首級半開式葉輪積灰造成的機組振動。圖2中為MCO1004單軸懸臂多級離心壓縮機不平衡響應(yīng)曲線。3mco系列壓縮機組應(yīng)用前景廣闊(1)隨著MCO系列壓縮機組在空分用空壓機市場的廣泛應(yīng)用,機組的設(shè)計將趨于更加合理,安全性將更有保證。隨著市場的進(jìn)一步發(fā)展,該機型將不能局限于空分用主風(fēng)機使用,將在完善軸端密封系統(tǒng)的前提下,進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于氮氣壓縮機等機組。(2)隨著轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算模型的進(jìn)一步完善,機組將不只局限于3段4級壓縮,在保證機組穩(wěn)定性的前提下,增加壓縮級數(shù),提高壓比,適應(yīng)某些高壓比的工況要求。(3)目前,我國合成氨裝置“油改煤”項目、天然氣合成氨化工中二段轉(zhuǎn)化爐加氧增產(chǎn)合成氣、煤化工合成氨自身的擴(kuò)容改造(德士古水煤漿氣化)等都將需要中大型空分裝置。此外,冶金行業(yè)對空分的需要也是愈來愈多,因此MCO系列壓縮機組的市場應(yīng)用前景極其廣闊。當(dāng)然,由于冶金行業(yè)空分多是電機驅(qū)動,外壓縮流程,因此在與組裝式壓縮機的競爭中MCO系列壓縮機組優(yōu)勢不明顯,在市場應(yīng)用中仍為空白。但隨著國家經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,大功率壓縮機組中電、蒸汽的使用經(jīng)濟(jì)性必將成為空分投資的主要考核指標(biāo)。因此可以確信,針對于汽輪機驅(qū)動所推出的MCO系列壓縮機在空分市場中應(yīng)用前景將一片光明。自2002年底,推出首臺單軸懸臂多級離心壓縮機方案競標(biāo)浩良河1.8萬空分以來,在短短9個月內(nèi)先后在浩化1.8萬空分、山西豐喜1.4萬空分、陜西神木2.8萬空分、長山