一、引言

組裝式離心壓縮機又稱為組裝型整體齒輪增速式離心壓縮機,近年來在世界上發展得很快。我國對這種壓縮機的需求量很大,廣泛應用在冶金、空分裝置、石化、制藥、動力站等各個領域。由于我國以前不能生產組裝式壓縮機,基本上都依靠進口。據初步統計每年進口的不同型號的這種壓縮機近100臺。我公司經過多年的研究與開發,已經研制成功這種組裝式壓縮機并且初步形成系列,不僅在國內市場占有一席之地,而且部分產品已經銷售到國外。本文根據組裝式壓縮機的主要特點,介紹了這種壓縮機的優點、關鍵技術和國產化發展趨勢等問題。

二、組裝式壓縮機的結構特點及其優點

與一般的單軸多級離心壓縮機不同,組裝式離心壓縮機采用了多軸多轉速、每級一冷卻、各級軸向進氣和齒輪箱、蝸殼集成在一起的結構。

由于結構形式的區別,組裝式離心壓縮機具有一般單軸多級離心壓縮機所不能具備的優點。

1.更接近等溫壓縮的過程

在分析壓縮機的壓縮過程時通常可以分為等溫過程、絕熱過程和多變過程,其中等溫過程的壓縮功是z*小的。當然完全的等溫壓縮是不可能的,但可用等溫效率來衡量壓縮機的耗功,也就是說壓縮過程越接近等溫過程也就越省功,效率就越高。組裝式離心壓縮機由于采用了每級一冷卻的方式,使其實際的壓縮過程盡量接近等溫壓縮,因此這種壓縮機在相同條件下比其他形式壓縮機更省功,效率更高。

2.各級葉輪在更佳的轉速下運行

葉輪在不同的轉速下具有不同的流量系數和能頭系數。在多級離心壓縮機設計中,各級葉輪的流量系數、能頭系數、轉速、直徑等參數必須匹配,否則機組就不能在z*佳的狀態下工作。傳統的單軸多級離心壓縮機結構迫使較多的葉輪必須在同一個轉速下工作,對壓縮機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采用了多軸多級的方式,同一轉速下z*多只有兩個葉輪,這樣就優化了機組的整體性能。同時由于多軸的結構,可以使每級葉輪都實現軸向進氣,減小進口氣流的損失,提高機組效率。

3.工況調節范圍更寬

為了使機組的工況范圍更寬,組裝式離心壓縮機在進口處安裝了葉片調節器。由于在結構上進口調節器與葉輪進口很近,葉片調節器不僅可以通過進口節流的方式根據用戶管網的變化對壓縮機的壓力、流量等參數進行調節,而且可以通過改變進口氣流與葉輪旋轉方向的角度(進氣預選調節)改變壓縮機的功耗,真正起到節能的作用。

4.結構緊湊、占地面積小、安裝方便

組裝式壓縮機的結構非常緊湊,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,是將壓縮機本體(含齒輪箱)、油箱和潤滑油系統、電動機甚至較小機型的中間氣體冷卻器都組裝到一個公用底座上。不僅占地面積小,而且安裝調試非常方便,基礎施工相對簡單,現場施工時間短,深受用戶歡迎。當然,組裝式離心壓縮機也有它的不足之處:由于結構的限制,目前z*高只能達到7～8級壓縮,當機組壓比太大時并不適用;受結構的限制,密封尺寸和安裝方式決定了暫時還不能作為石油化工企業中的原料壓縮機等。

三、組裝式壓縮機的關鍵技術

組裝式離心壓縮機具有很多的優點,但其設計和制造相對復雜。在開發這種壓縮機時不僅要對機組的結構進行研究和試驗,還需要對許多關鍵的單元技術進行先期或平行的研究和開發。

1.高性能的模型級基本級

是壓縮機的核心部分,也是壓縮機設計的關鍵技術,基本級性能的高低直接影響壓縮機的整機效率。組裝式壓縮機適用的模型級以高壓小流量為主,為了提高壓比葉輪轉速很高,氣流速度接近甚至超過音速,而且流量小,流道中的摩擦損失大,流動情況復雜,需用三維粘性分析技術進行流場的模擬分析。這類跨音速的高壓小流量模型級研究的難度較大。我公司利用引進的NREC、NUMECA和國產氣動分析軟件對這種半開式高馬赫數的模型級做了多年的研究開發工作,先后研制了DHK-65、DHK-40模型級和NRECA1、A2、A3等基本模型級,整體性能達到了國際先進水平。

2.可靠的強度分析和振動分析

組裝式離心壓縮機是一種高速旋轉的動力機械設備,目前我公司生產的這種壓縮機轉速已經達到近50000r/min,葉輪圓周速度z*高的已超過450m/s。在這種情況下,旋轉部件的強度校核和機組的振動分析顯得格外重要。葉輪計算包括在離心力作用下葉輪的強度計算、葉輪在高速旋轉狀態下葉片的位移量、葉輪孔與軸之間的過盈量及松動轉速計算等。轉子振動分析計算包括各個轉子的一階、二階、甚至三階臨界轉速計算、轉子的不平衡響應計算、軸系的振動分析等。

3.高效換熱器

換熱器的技術參數指標不僅影響到機組的耗水量、出氣溫度,而且對機組的氣動性能也有很大的影響。我公司與西安交通大學聯合開發了冷卻器設計程序,結合引進技術開發出了組裝式離心壓縮機新的冷卻器系列。為了進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,我公司還開發出了內肋片式的高效冷卻器。用于本系列壓縮機,可以提高整機的氣動性能。

4.齒輪與軸承技術的研究

組裝式離心壓縮機設計時一般要求連續運轉2年或3年,每個工作軸的轉速一般都在20000～50000r/min之間,齒輪轉速比在10～20之間,齒輪周速達到120～150m/s,軸承周速也超過80m/s。這種高速比的高速齒輪和軸承在設計和制造上是有相當難度的,因此齒輪技術的研究也是組裝式離心壓縮機的一個重要課題。

5.機械結構的設計與研究

由于這種壓縮機具有多軸、高速旋轉的特點,同時又要求結構布置極其緊湊,因此在研制這種壓縮機時需要解決許多結構設計問題。例如轉子各零部件的結構造型和裝配形式都要經過詳細的計算和試驗,既要保證零部件本身的使用功能可靠,又要考慮到旋轉零部件的應力、應變和轉子的振動特性、軸系的振動特性等,是一個與多學科相關的復雜問題。

四、組裝式壓縮機的國產化

我公司自行研究的SVK型組裝式離心壓縮機目前已經形成系列的有SVK2、SVK4、SVK6、SVK8、SVK12、SVK16、SVK20和SVK25、SVK32等機型,可以輸送空氣和氮氣,流量范圍從2000～35000m3/h,壓縮機包括1級、2級和3級,壓比可以從1.5～11。根據用戶的不同使用條件和要求,這些壓縮機也可以被設計成為4級,壓比可以達到20左右。在SVK型組裝式離心壓縮機系列產品逐步完善并形成一定的生產能力以后,又開始研制4軸的高壓組裝式離心壓縮機。這種壓縮機z*多可以進行6級壓縮,壓比可以達到60左右。預計到2004年,這種多軸的組裝式離心壓縮機將會進入市場。現已形成完整系列并已在實際中得以應用的SVK型組裝式離心壓縮機。

五、結論

組裝式離心壓縮機具有許多優點,但目前由于技術原因尚不能適用于所有的場合,隨著壓縮機設計和制造技術的不斷提高,它的應用范圍也會越來越寬。我國組裝式離心壓縮機雖然起步較晚,并且到目前為止z*高只能達到4級壓縮,但近幾年已經生產了60余臺機組,不僅在國內市場占有一席之地,而且少量產品出口到國外。預計一年以后,國產的5～6級的多軸組裝式離心壓縮機即可面世,并在2～3年內能夠達到年產80臺各種形式的組裝式離心壓縮機的能力,取代更多的進口設備。