大支撐跨距離心壓縮機(jī)的分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要 ：介紹了我國大支撐跨距離心壓縮機(jī)在現(xiàn)實(shí)工作中的應(yīng)用。對大支撐跨距離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析。舉例對大支撐跨距離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子軸系進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并提出對轉(zhuǎn)子軸系進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞 ：離心式壓縮機(jī)；支撐跨距 ；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TH452 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

The Analysis and Structure Design for Centrifugal Compressor with Largely Supported Span

Abstract: This paper has analyzed the design and technical difficulties of centrifugal compressor with largely supported span and its application in realistic job. Furthermore, the stability of rotor shaft system in centrifugal compressor with largely supported span is analyzed in example and the optimized design scheme for rotor shaft system is pointed out.

Key words: centrifugal compressor; supported span; structure design

0 　引言

　　目前我國石油、化工、制冷、化肥等企業(yè)正朝著大型化、集中化、高效化、低成本的方向發(fā)展，這樣就對化工流程的核心設(shè)備，離心壓縮機(jī)有了更高的要求。這幾年為了滿足用戶對大流量、高壓比、級間加氣等壓縮機(jī)的要求，我公司設(shè)計(jì)了很多大型、高壓的壓縮機(jī)。例如現(xiàn)在的空壓機(jī)流量基本上都在 36000 ～ 5 2000 Nm 3 /h 范圍內(nèi) , 葉輪直徑基本上都在 900mm ～ 1200 mm 之間。甲醇壓縮機(jī)在 2006 年時(shí)，基本上都是年產(chǎn) 10 萬噸甲醇項(xiàng)目 , 而在 2007 年到現(xiàn)在基本上都是年產(chǎn) 20 噸甲醇項(xiàng)目 , 裝置年產(chǎn)量翻了一倍。 最近還設(shè)計(jì)制造乙烯三機(jī)即丙烯壓縮機(jī)、裂解氣壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)，徹底地打破了國外發(fā)達(dá)國家的壟斷，實(shí)現(xiàn)了乙烯三機(jī)的國產(chǎn)化。這對石油化工的高產(chǎn)化、國產(chǎn)化有著重要的意義，但對于壓縮機(jī)的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算的難度也越來越大。

1 　大支撐跨距壓縮機(jī)在現(xiàn)實(shí)工作中的應(yīng)用

　　大支撐跨距是指壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端支撐軸承和非驅(qū)動(dòng)端支撐軸承之間的距離與葉輪最大內(nèi)孔直徑的比值簡稱 L / D 。這是衡量一臺(tái)壓縮機(jī)是否穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)，是離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析的一個(gè)重要的內(nèi)容。隨著離心壓縮機(jī)大型化、多級化的發(fā)展，這個(gè)指標(biāo)越來越受到人們的重視。它主要是由于壓縮機(jī)的級數(shù)過多而導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子過長而產(chǎn)生的。

1.1 氣體分子量與壓縮機(jī)級的關(guān)系

　　氣體的分子量越小越難壓縮，比如在氫氣壓縮機(jī)中，一級葉輪的壓比大概只有 1.0 ～ 1.12 ，例如，云南云維集團(tuán) 20 萬噸甲醇壓縮機(jī) , 氫氣的含量為 68% ，平均分子量為 11.55, 氣體在壓縮機(jī)中的總壓比為 2.6 ，該壓縮機(jī)用了 9 級壓縮 , 有兩個(gè)級間冷卻器、 1 個(gè)防喘振冷卻器，機(jī)型為 3BCL529 。而在分子量較大的壓縮機(jī)中氣體比較容易壓縮，但由于要控制馬赫數(shù)不能大于 1 ，所以葉輪的周速不能過高。

1.2 葉輪的轉(zhuǎn)速和做功

　　同一型號的葉輪做功能力的大小與驅(qū)動(dòng)機(jī)能提供的功率和轉(zhuǎn)速有關(guān)，足夠大功率的作用是為了使主軸能夠傳遞足夠的扭矩確保壓縮機(jī)的正常運(yùn)行；葉輪的轉(zhuǎn)速越高，葉輪對氣體做功越多，即氣體的壓升越大，但是由于受到驅(qū)動(dòng)機(jī)、葉輪周速、材料強(qiáng)度、馬赫數(shù)等方面的限制。壓縮機(jī)靠提高轉(zhuǎn)速來提供做功的能力是有限的。

1.3 離心壓縮機(jī)中常用的葉輪

　　葉輪對氣體的做功能力與葉輪的工作效率有關(guān)，葉輪的效率主要取決于葉輪的氣動(dòng)型線即葉輪的葉片型線。目前常用的葉輪有大三元葉輪、高效二元輪、二元輪。大三元葉輪采用三元葉片，葉輪的出口角角度大，是效率最高的葉輪，其效率在 83% ～ 90% 之間，但是大三元葉輪流量的工作范圍較小。二元葉輪的葉片是二元葉片，葉輪的出口角較小，流量的工作范圍較大。高效二元輪介于大三元葉輪和二元輪之間。這 3 種葉輪常常搭配使用。為了提高設(shè)計(jì)工作效率葉輪基本級已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，平均效率已達(dá)到 80% 以上，提高的空間很有限。

　　通過增加壓縮機(jī)的級數(shù)來提高葉輪的工作轉(zhuǎn)速已成為提高壓縮機(jī)整機(jī)工作壓比最有效最直接的方法。于是出現(xiàn)了云南云維的 20 萬噸甲醇項(xiàng)目的 3BCL529 、 2MCL609 、 BCL6010 等超長的機(jī)組。

2 技術(shù)難點(diǎn)分析及設(shè)計(jì)過程介紹

　　產(chǎn)品 2MCL609 是典型的大支撐跨距壓縮機(jī)。現(xiàn)結(jié)合理論與實(shí)際，對該產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)及計(jì)算過程簡單介紹如下。

　　離心壓縮機(jī)的級數(shù)按照文獻(xiàn) [1] 的介紹一般少于 9 級，但將壓縮機(jī)的級數(shù)設(shè)計(jì)到 9 級甚至 10 級是在提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、提高葉輪的工作效率等辦法的基礎(chǔ)之上，還無法達(dá)到用戶要求參數(shù)時(shí)，而最后采用的一種方法。壓縮機(jī)的級數(shù)越多壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子越長，驅(qū)動(dòng)端的支撐軸承和非驅(qū)動(dòng)端支撐軸承之間的距離越大，也就是在這里所說的 L / D 。 L / D 的數(shù)值一旦超過了規(guī)定的數(shù)值，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度分析就成為必須考核的內(nèi)容。強(qiáng)度分析結(jié)果不合格，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案乃至氣動(dòng)方案的更改。

　　強(qiáng)度分析主要包括單個(gè)葉輪的強(qiáng)度分析和轉(zhuǎn)子軸系的動(dòng)力學(xué)分析。單個(gè)葉輪的強(qiáng)度分析包括葉輪應(yīng)力計(jì)算、半開式葉輪的輪盤自振頻率分析、半開式葉輪的葉片自振頻率分析；轉(zhuǎn)子軸系的動(dòng)力學(xué)分析主要是轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性分析，包括氣體激振分析軸和鍵的強(qiáng)度計(jì)算。回轉(zhuǎn)剛體質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算及軸向推力計(jì)算、平衡盤尺寸確定也在其中。

　　氣體激振是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析的關(guān)鍵內(nèi)容。氣體激振是指在壓縮機(jī)中由于葉輪內(nèi)部發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離而產(chǎn)生的對機(jī)器的氣體激勵(lì)。對于大分子量及壓力高的的離心壓縮機(jī)，如化肥裝置中的 CO ₂ 壓縮機(jī)和合成氣壓縮機(jī)，在方案設(shè)計(jì)中需要考慮此類問題。自激振動(dòng)是指壓力高、分子量較大的氣體在通過平衡盤等密封時(shí)，由于壓比高而有可能達(dá)到音速進(jìn)而誘發(fā)對轉(zhuǎn)子的氣體激振。

　　現(xiàn)在針對機(jī)型為 2MCL609 的壓縮機(jī)進(jìn)行分析。

2.1 　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　圖 1 為 2MCL609 轉(zhuǎn)子的計(jì)算模型簡圖。

　　轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速為 8320 r/min 。

　　轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)：總長為 3057 mm ；跨距為 2475 mm ；總重為 1300.105 kg 。

　　軸承靜載： 軸承 1 為 6450.87 （ N ）；軸承 2 為 6303.16 （ N ）。

　　軸承參數(shù)： 最大預(yù)負(fù)荷下的最小軸承間隙為 軸承半徑間隙 min =0. 1357 mm 。

2.2　 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析判別標(biāo)準(zhǔn)

　　引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的因素包括密封作用力、葉輪處的氣動(dòng)力、軸承油膜作用力等。根據(jù) API617 第 7 版中 2.6.5 節(jié)相關(guān)規(guī)定，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行 I 級穩(wěn)定性分析。

　　預(yù)期的交叉耦合剛度（見 API 617 標(biāo)準(zhǔn)第 7 版 2.6.5 .6.a ）

2.3 　產(chǎn)品2MCL609穩(wěn)定性分析 　

　　對于本臺(tái)產(chǎn)品，各級參數(shù)見表 1 。

表 1 各級計(jì)算參數(shù)

　　對于本臺(tái)產(chǎn)品，分析結(jié)果表明： II 級穩(wěn)定性分析合格。

3 　結(jié)論

　　綜上所述，在大支撐跨距設(shè)計(jì)過程中，轉(zhuǎn)子軸系的穩(wěn)定性分析主要從以下 3 個(gè)方面著手：第一，合理的設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，在滿足壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能的條件下，使壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)盡量的緊湊；第二，合理的選擇軸承，軸承的技術(shù)參數(shù)決定著軸系的支撐剛度，對軸系的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析影響很大；第三，在壓縮機(jī)的選型過程中要合理的選擇壓縮機(jī)的基本級，壓縮機(jī)的選型決定著壓縮機(jī)主機(jī)的設(shè)計(jì)方向，是不可忽略的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 徐忠 . 離心壓縮機(jī)原理 [M].2 版 . 機(jī)械工業(yè)出版社， 1990.