4万等级空分组装式压缩机研制

金鑫

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110000）

4万等级空分组装式压缩机研制

金鑫

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110000）

随着空分行业的发展，多轴组装式压缩机其高效率，低成本，小占地，易于系列化等的优势逐渐体现，成为行业的主流，是西门子、曼透平等公司的主打产品，其效率优势和成本优势极其显著。因此研制中、大型组装式空压机成为国内各空分压缩机制造厂的重中之重。本文对4万等级空分组装式压缩机研制进行研究分析。

4万等级 空分压缩机 组装式

原料空气压缩机组是整个装置中的核心设备，本项目压缩机组由6极原动机和多轴组装式压缩机通过2300mm长度的膜片联轴器连接组成。压缩机共有3个转子：两个高速转子，一个低速转子，三个半开式叶轮通过三级压缩来实现。两个高速转子对应不同的转速，叶轮直径也大不相同，这样可以保证每级叶轮都处于最佳效率点。在L轴和H轴中间是大齿轮轴，可以充分的将L轴H轴拉开，使每级扩压器和蜗壳有足够的空间，都能充分扩压。空压机和电机放置在二楼，整个机组中设置两个段间冷冷却器，均采用翅片管结构，有效的增加散热面积，降低气冷尺寸，气冷布置在一楼机组下部，结构紧凑，占地小，节约空间。在机组入口设置在线喷水装置，可以有效降低叶轮上的积灰，提高转子的运转时间。同时由于转子重达20吨，启动对电网冲击很大，易破坏轴瓦，因此对大齿轮轴承增加顶升孔，通过30公斤的顶升油在机组启动前，变将大齿轮顶起来，使得整个机组的静摩擦力矩减少60%以上。

空分装置运转起来之后，其原料为大气，最主要的成本就是压缩机的耗功，因此压缩机的气动性能是整个产品设计的关键，是用户最为关注的参数。气动性能一方面要求效率要高，其次是设计点选取合理，要准确，保证机组在高效点运行，最后是机组调节范围要宽广，即要满足设计点功耗，又要满足额定点和最小工况，即要适应夏天炎热高温，又要适应冬季的最小温度。本机组第一段采用高能头高效半开叶轮，周速达到380m/s，效率最高，承担的压比最大，轮子本身的工作范围相对窄些，因此在第一级入口设置导叶，通过改变气体进口角度，正负预旋，调节机组的工况范围。由于进口导叶，叶轮叶片，出口扩压器叶片，三者各有其固有频率，相互脉动，因此不仅仅要通过SNSYS建模分析计算叶轮强度，还有计算其固有频率，确保其不会发生疲劳断裂。

通过采用高效半开叶轮，由于其流量系数在0.12-0.16左右，大大高于闭式叶轮的0.06-0.1，因此可以大大降低叶轮直径，减小重量，节约成本。在保证机组性能的同时，通过不断优化叶轮结构，虽然周速达到340-380m/s，远大于闭式叶轮的280m/s，但是由于强度好，因此可以采用低一等级的叶轮材料，比高等级材料节约一半的成本。

由于是悬臂叶轮，因此要与主轴连接，根据叶轮特性，采用法兰盘连接，整个转子扭矩通过螺栓来传递，要求螺栓强度必须要高，而且计算要准确，否则发生螺栓断裂造成的后果将非常严重，通过转子质量、转速、推力、叶轮重量、重心、摩擦系数、预紧系数、刚性系数等参数，准确的计算出螺栓圆直径，和螺栓直径与数量，并采用集团自主研发的特制螺栓：特殊的螺栓材料和特殊的加工工艺，其屈服强度大于1030MPa，远高于市场上的通用螺栓，确保转子的稳定性。

型环间隙对机组的气动性能影响非常大，如何保证合理的间隙是个难题，通常有以下几个因素：由叶轮高速旋转的离心力产生应力变形量；由叶轮温度升高产生的热变形；由每级叶轮两侧的气体作用力不一致产生的轴向力带来的转子窜动；轴承间隙；由润滑油热量产生的轴的热位移。通过上述5个方面计算，能够得出理论的间隙，但由于一些参数数变化的，计算不准确，会有一定的偏差，对机组性能或者安全性产生一定的影响。本产品通过特殊的方法，测出产品运转时的真实间隙，并采用经过试验验证的，在大面积，高流速，高压力下也不会发生脱落的全新涂层技术，保证机组在突发事件中也不会发生型环刮碰现象，从而保证整机效率。

叶片扩压器设计：叶片扩压器一方面要保证机组的效率和宽广的工况范围等压缩机性能参数，另外一方面如果叶片与叶轮频率偶合不好的话，会造成气体波动，从而带动气体管路振动，通过对扩压器入口角进行部分切削，在保证性能的前提下，减少管路振动，降低机组噪音；大型排气蜗壳性能分析与优化；离心压缩机排气蜗壳的作用是收集扩压器出口的气体并输送到气管路，其内部流动状态直接影响到整级乃至整机的气动性能以及振动、噪声等指标，其重要性在大型离心压缩机中尤为突出。因此通过对排气蜗室进行流动模拟以及几何形状优化，在原有基础上提高机组性能2%左右，通过对整个内部流到进行抛光，还能提高效率1.5%左右。

由于功率大，需要的润滑油多，齿轮箱内会产生大量的油烟，仅通过油站上的排烟风机无法保证油烟泄露，因此，一方面通过改进油封结构，削尖密封齿，增大回油孔，充密封氮气，另外在齿轮箱顶部增加排烟风机，带油气分离器，确保不发生油烟泄露。对气体密封进行全新设计，通过采用全新结构和材料的气封-peek密封，可以降低密封间隙30%，尽可能的减小泄露量，保证机组效率。

齿轮箱技术，国内和国外知名厂家一直在效率水平，加工能力上存在差距，本机组通过大量计算，结构分析与不断优化，把1-3级定子一起与齿轮箱建模，进行力学分析，一方面计算其强度，另一方面计算整个机组各管口的位移，为管路配管奠定良好的基础；大齿轮齿环的锻造和加工工艺，超大齿轮箱的结构设计和焊接工艺等都进行了大量的创新，确保齿轮箱在全负荷条件下，也不会发生变形；通过提高齿轮加工精度，优化喷油设计提高了齿轮的传递效率；通过改进油封设计，增加排烟口等方式避免油烟泄露；同时在满足强度的情况下，对大齿轮齿环等进行减重优化，最终完成了国内自主设计制造的最大的多轴齿轮箱：大齿轮直径3m，齿轮箱长5.5m，宽1.8m，高3.5m，重达50余吨，为大型空分装置组装式压缩机的完全国产化做出了巨大的贡献。

整个机组严格执行API672，API613，API614，，API671，API670，API615国际通用技术标准以及，AGMA6011，GB151等标准，各项指标均达到国际先进水平。

［1］郭大刚，王延丽，张伟.螺杆压缩机使用小议［J］.科技创新导报，2013（24）.