大直径筒型离心压缩机主机及整体拆装设计

李晓刚 王 荣 刘红微 李艳玲/沈阳鼓风机集团股份有限公司

大直径筒型离心压缩机主机及整体拆装设计

李晓刚 王 荣 刘红微 李艳玲/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

筒型离心压缩机为垂直剖分离心压缩机，广泛应用于电力、冶金、石油石化、制冷及动力等各种工业领域，在国民经济各部门中占有及其重要的地位，其分类条件一般为：1）出口压力≥4MPa(A)；2）氢气分压力≥1.380MPa(A)；3）氢气含量≥70%[1]。由于其具有承压性好，无泄漏等优点，正越来越受到市场的青睐。

本项目通过对中石化芳烃项目的离心压缩机设计参数进行分析，应用沈鼓离心压缩机优化选型程序对压缩机进行气动方案选型及设计[1]，并对其在设计、制造过程中遇到的技术问题和技术关键点进行必要的判断和分析，以确保整个设计方案满足用户要求[3]。截至目前，国内外对于叶轮直径为1 400mm的筒型离心压缩机的研发设计以及加工制造还尚属空白。

中石化的大型连续重整装置的核心设备是重整循环氢离心压缩机，该项目也适用于单套产能2 000万吨/年炼油项目用重整装置机组。该重整循环氢离心压缩机叶轮直径为Φ1 400mm，机组长7175mm，高3 960mm，转子跨距5 490mm，总重约250t，其出口压力为0.813MPa（A），水压试验压力为1.455MPa（A）。机组采用垂直剖分形式，内部芯子质量约120t，芯子拆装结构做了全新的设计，采用外部滚轮，即芯子滚轮相结合的形式，将芯子质量在装配过程中均匀分配，从而达到完成大芯子成功装配的目的。外端盖与机壳结合形式采用卡环结构，拆装方便，密封性能可靠。

1 系统方案选型设计

1.1模型级选型设计

技术参数如下：Qin=532 000Nm3/h，pin= 0.341MPa(A)，Tin=45℃，pout=0.813MPa(A)，平均分子量9.4。经过优化最终确定叶轮直径为Φ1 400mm，NLM系列模型级[2],级数为7级，机组为一段结构，顺排布置。压缩机转速为3 730r/min，轴功率为20 521kW，压缩机最高多变效率达到86.7%。

1.2叶轮强度的校核

考虑到叶轮最高线速度为329m/s,采用Solidworks对叶轮进行实体建模，叶轮原始结构设计的强度分析未通过。因此需要对叶轮进行进一步的结构优化设计，采用改变叶轮叶片厚度、对叶轮的轴盘、盖盘尺寸进行局部优化、更改叶轮半径过盈值等多项措施[3]。

经过修改后的叶轮三维实体模型及叶轮有限元模型如图1和图2所示。

通过以上优化修改后的NLM模型级[4]，叶轮强度大大提升，轴孔变形量及固有频率均控制在一定范围内并满足要求，最终满足叶轮强度要求[5]。

1.3装置布置

本项目的驱动机采用杭州汽轮机股份有限公司生产的NK50/57多级冷凝式汽轮机，压缩机和汽轮机分别安装在单独钢底座上；整个机组采用独立润滑油站供油。汽轮机与压缩机采用膜盘联轴器联接，保证机组的安全稳定运行。装置布置图如图3所示。

2 压缩机本体结构及力学分析

2.1定子结构设计及强度分析

该重整循环氢离心压缩机组外形尺寸为Φ2 900mm,长7 175mm，机组总重250t，所以在设计之初必需考虑机组的整体刚性、强度和起吊等问题[6]。为了尽可能的减轻机组总质量，易于加工采用了卡环结构，并对外机壳及卡环进行了应力与变形校核。

2.1.1 外机壳及卡环

本次对机壳结构特性的分析，主要研究机壳的变形及应力分布特点，以二维设计图纸为基础，采用三维实体建模软件建立三维实体模型，如图4和图5所示。所以在本次分析过程中，对机壳上焊缝的影响不做非常细致的考虑，我们认为焊缝处材料及强度与机壳母材情况相同[7]，即在不影响结果的情况下，对一些局部细微结构进行合理简化，以便有效地提高计算速度。

经过对力学强度等的周密计算，得知机壳在自重作用下，该机壳结构的最大等效应力为19MPa，远小于其材料的屈服极限250MPa，满足强度要求，机壳的等效应力分布云图见图6所示。

通过变形分析得知，在自重作用下，该机壳结构的最大竖向变形量为0.032mm，机壳的竖向变形图及卡环局部等效应力分布云图见图7和图8所示。

综合以上分析我们可以看出，机壳的设计完全满足要求[8]，卡环结构的设计也满足其材料本身的强度要求，可以继续进行下一步的工作[9]。

2.1.2 机壳进气蜗室面积及气流速度

该重整循环氢压缩机组一段进口直径为Φ1 500mm，介质的流通内径为Φ1 492mm，一段出口直径为Φ1 000mm，介质的流通内径为Φ 992mm。结合机组的气动方案报告，得到机组的进出风筒流速见表1。

表1 风口法兰气流速度表

为了使进气更加均匀，进一步提升机组效率，进气效果更好，我们将进气蜗室设计成为变截面进口蜗室，见图9所示。

变截面进口蜗室，即按照一定的面积比，将进气的环形截面设计成通流面积不完全相同且圆滑过渡的变截面。通过对进口蜗室环形截面的改造，可以达到进气更加均匀，高效的目的，减少进气损失。

3 大型机组芯子的整体装拆设计

该重整循环氢压缩机组的内机壳、隔板束和转子总质量为120t。由于筒型压缩机的结构特殊，芯子（组装后的内机壳、隔板和转子）需要整体装配好后推入外机壳内，如此重的芯子如何拆装成为该机组研制成功与否的关键点。另外，由于用户现场无法安装150t吊车，因此要求芯子分半吊装，在专用工具上完成芯子的组装及向机壳内推进的工作，且推进过程又不能借助现场吊车的协助，完全依靠专用工具自身把芯子安装到位。又给我们的研制工作带来了难度。

针对上述问题及用户现场的特殊要求，我们对芯子拆装工具提出全新的设计方案，见图10和图11所示。

3.1芯子拆装工具的设计

1）拆装工具主体机械部分由液压系统进行控制。液压缸分为推进液压缸①和支撑液压托块②。推进液压缸配有专用支座，可以将其置于导轨上，便于拆装固定；支撑液压缸固定在底座上；导轨③与底座用支撑固定架④连接。由此实现芯子系统高度上下调节。

2）机械部分的推进支架⑥带有滚轮，能够实现微调，将内机壳与推进支架固定后一同置于导轨上，从而可以通过推进支架的滚轮和支撑液压托块的滚轮⑤共同作用，实现内机壳组部的对中。导轨③与压缩机机壳端面采用螺栓把合连接。

3）推进内机壳时，将推进液压缸①至于导轨③上，由驱动油泵将内机壳推入，每次行程500mm，之后将推进支架⑥取下，置于导轨下一组定位孔，重复以上操作；各组支撑液压托块②可根据推进过程的需要由液压系统控制起降，以保证内机壳组部与压缩机安装中心线的对中。内机壳拆卸时反向操作即可。

4）支撑液压托块的滚轮⑤，减小内机壳推进的摩擦力。选用表面硬度低于内机壳材料，确保滚轮不划伤内机壳。

5）检修拆装工具技术参数：推进油缸的行程为500mm，举升力可达到20t；支撑油缸行程为100mm，举升力可达到30t。

通过对芯子拆装工具的设计，不仅满足了其刚性、起顶载荷、液压顶升系统调节高度以及可实现对中调心功能，解决大型筒形压缩机装配过程的难题。进一步的实现了推进过程的自动化，推进液压缸的设计改变了以往依靠人工提供液压提供动力进行推进的过程，极大的提高了安装效率。

该机组专用工具经过现场验证，效果显著，达到国内先进水平，解决了大型压缩机组内机壳的装配难题。为沈鼓研制更大型的机组提供技术支撑[10]。

3.2端盖吊装工具

端盖直径Φ2 600mm，重15.8t，出口隔板重11.5t。端盖吊装工具设计载荷为27.3t。其外形图见图12所示。

对端盖吊装工具三维模型进行适当简化后，在ANSYS环境中对其进行网格剖分，得到图13所示的有限元网格模型。

：本文通过利用沈鼓离心压缩机优化选型程序对压缩机设计参数进行分析，对机组转子、定子结构进行优化设计及力学分析，并通过有限元分析对设计结果进行验证。验证结果表明：在满足机组刚性、强度的情况下，通过卡环结构设计，可以减轻直径为1 400mm的筒型离心压缩机机壳质量；同时设计了大型机组芯子拆装工具，确保大型芯子（含内机壳、隔板和转子）的整体拆装的顺利完成，该机组可以满足20t级以上的端盖拆装设计。

大型内机壳；芯子；整体拆装；自动推进系统；离心压缩机

Design o f Large Centrifugal Compressor and Its Disassembly Method

Li Xiao-gang，Wang Rong，Liu Hong-wei,Li Yan-ling/Shenyang Blower Works Group Corporation

large scale inner casing;large core;assembly;automated propulsion system; centrifugalcompressor

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）06-0045-05

10.16492/j.fjjs.2016.06.0013

2016-02-03辽宁沈阳110869

Abstract:This paper analyzes the design parametersof the centrifugal compressor using CAL300 software by simulating structural strength of the stator and rotor.The simulation results show that the volute weight of the centrifugal compressor impeller with the diameter of 1400mm could be reduced through designing a snap ring without changing the performance and integrity of the compressor. This paper also presents a disassembly device for the large core assembly,which includes inner casing,diaphragm,and rotor.The disassembling device can be used for the large end coverwithover20 ton.