压缩机转子国产化及应用

2017-01-04康少博李钢朱圣华张世清梁以钢

中国设备工程 2016年13期

关键词：动平衡压机国产化

康少博，李钢，朱圣华，张世清，梁以钢

（1.郑州机械研究所，河南郑州 450052；2.莱芜天元气体有限公司，山东莱芜 271100；3.武汉钢铁集团气体有限责任公司，湖北武汉 430000）

压缩机转子国产化及应用

康少博1，李钢1，朱圣华2，张世清3，梁以钢3

（1.郑州机械研究所，河南郑州 450052；2.莱芜天元气体有限公司，山东莱芜 271100；3.武汉钢铁集团气体有限责任公司，湖北武汉 430000）

本文介绍了莱钢和武钢的进口压缩机转子的国产化研制过程，最终通过对齿轮精度的严格控制和不同高速动平衡手段，使整机的振动保持在良好的水平。整个过程为相关进口设备的国产化提供了参考。

压缩机转子；齿轮精度；高速动平衡；振动

0 引言

多轴式齿轮增速型离心压缩机是钢铁、石油化工等企业生产中的核心关键设备，库伯、德马格、阿特拉斯、英格索兰等知名的压缩机制造厂家的产品特点是高效节能、设计优良、技术含量高，是目前我国此类压缩机使用的主导产品。一直以来，一旦压缩机转子出现问题，用户只能依赖进口备件来满足使用要求，但进口备件不但工期长，而且价格一直居高不下，国内一些生产企业常常因为进口压缩机出现问题而处于非常被动的地位。近年来，郑州机械研究所对进口压缩机齿轮转子的国产化开展了大量的研究工作，从2008年至今该所为国内多个生产厂家成功修复多台套进口压缩机，期间攻克了高精度“端面齿”的研制、高速柔性转子齿轮的生产研制以及转子高速动平衡现场试验等技术难题，填补了该领域国内的空白。本文介绍比较有代表性的空压机转子和氮压机转子的国产化研制过程。

图1 空压机概图

1 压缩机主要特征和技术参数

1.1 结构特征

莱钢8#制氧空压机是该公司2.2万Nm³/小时空分机组的核心设备，其概况见图1。武钢空压机是该公司1万Nm³/小时空分机组关键设备，F台氮压机是该公司3万Nm³/小时空分机组关键设备，结构简图见图2。三种压缩机都是典型的H型结构离心式压缩机组，机组将压缩机与增速箱合成一体，大齿轮装在驱动轴上驱动两侧高速齿轮转子，叶轮分别装在高速齿轮转子两端，气体经过多级叶轮压缩排出。其中莱钢空压机为三级叶轮压缩，武钢空压机和氮压机为四级叶轮压缩。该形式压缩机具有气量大、效率高、结构简单紧凑等优点，但由于高速转子转速高而对齿轮精度要求很高，同时对齿轮转子与叶轮联接型式的加工精度以及动平衡精度要求极高。

图2 压缩机结构简图

1.2 技术参数及要求

武钢VK-63型透平空压机参数：

电机功率6000 kW

输入转速：1000 r/min

输出转速：1-2级转子6391 r/min ，3-4级转子7946 r/min

吸入流量56000 Nm³/h

吸入压力94.4 kPa

排出压力0.54 MPa

莱钢8#制氧空压机参数：

电机功率：9900 kW

输入转速：1500 r/min

输出转速：1-2级转子8925 r/min ，3级转子12750 r/min

吸入流量127801 Nm³/h

绝对压力：6.15 bar

武钢F台氮压机参数：

电机功率：2560 kW

输入转速：1490 r/min

输出转速：1-2级转子17810 r/min ，3-4级转子 21370 r/min ；

吸入流量22000 Nm³/h 吸入压力105 kPa 18℃

派出压力1693 kPa

吸入温度 41℃

2 压缩机转子测绘设计和制造

2.1 箱体及转子测绘

中心距是齿轮箱传动重要参数，首先对压缩机箱盖进行三坐标测量，精确测出各级转子齿轮副中心距。对齿轮副进行测绘检测，确定模数、齿数、压力角、螺旋角等重要参数。根据所测中心距和齿轮相关参数进行逆向分析，确定各齿轮的准确参数[1]。然后对转子进行精确的几何尺寸测绘。

2.2 叶轮与转子联接方式

（1）武钢VK-63型空压机叶轮与转子联接是常见的圆柱过盈联接；（2）武钢F台氮压机叶轮与转子联接方式为圆柱过盈联接和圆锥过盈联接；（3）莱钢空压机叶轮与转子联接方式是端面齿联接。前两种联接型式较为常见，端面齿联接是一种新型的联接方式，见图3。端面齿优点是对中精度高，属高强度联接，拆卸方便，重复使用精度高，使用寿命长。近年来常被用于空压机叶轮与转子的联接，但要求端面齿精度4级以上。对端面齿进行测绘并计算[2]：

其中 α为齿根倾角，θ为齿型角，Z为端面齿齿数，S为节平面弦齿厚，h为理论全齿高，D为端面齿大端外圆直径。计算后可根据平面弦齿厚S测量出端面齿齿顶高，为端面齿磨削加工提供精确的参数，从而保证转子与叶轮联接的轴向尺寸。

2.3 转子齿轮的材料、工艺及强度校核

压缩机转子齿轮转速高，其中空压机转子齿轮节圆线速度达到144 m/s,对可靠性要求很高。因此高速转子齿轮采用18CrNiMo7-6优质合金钢，低速齿轮采用34CrNi3MoA优质合金钢，化学成分和力学性能符合JB/T 6395-2010《大型齿轮、齿圈锻件技术要求》中相关材料的规定，热处理采用渗碳淬火工艺，热处理检验要求符合GB/T 8539-2000《齿轮材料及热处理质量检验的一般规定》中ME级要求，齿轮磨齿加工，精度达到5级（GB10095-2008）以上。对于更高转速的转子，要求齿轮4级以上精度。对齿轮强度校核计算，保证齿轮强度满足设计要求。

图3 端面齿示意图

2.4 转子齿轮的加工精度

齿形公差和齿距极限偏差影响齿轮运动的平稳性，齿向公差影响齿轮载荷分布的均匀性，齿距累积公差和齿圈径跳公差影响齿轮传递运动的准确性。保证齿轮精度5级，必须所有检测项目都达到5级以上，压缩机转子齿轮最终精度见表1、表2[3]。与此同时，齿轮应进行齿形和齿向修形，尤其是高速转子齿轮要进行精密的弹性变形和热变形修形。

3 转子的动平衡[4]

动平衡对于高速齿轮来说是必不可少的，低速转子由于转速不高，可以只进行低速动平衡，高速转子除了低速动平衡之外，还要进行高速动平衡。高速转子轴系在低速动平衡时，每个零件都要进行单独平衡，组装后再次低速平衡，从而可以减少各个零件之间的相互影响。

莱钢空压机转子最高转速12580 r/min，可以做离线高速动平衡。武钢氮压机转子由于国内高速动平衡设备条件限制，不能做离线高速动平衡，安装好后试车时发现所有4级叶轮处的轴振动均超标。通过对氮压机动力学性能和结构特点进行分析，决定进行现场动平衡。根据氮压机振动测试数据分析结果，各级叶轮组件均属于挠性转子，需按照挠性转子平衡方法进行高速动平衡。最终采用两套VMS系统进行测试，在现场对高速转子实施了高速动平衡，取得显著减振效果，各级叶轮处的轴振动值均低于报警值，且有较大余量。