空分压缩机组增压机叶轮流道加工抛光工艺研究

薛吉

摘 要：文章研究了增压机叶轮加工方法选择，分析了电加工叶轮变质层控制及去除方法，对比了不同加工方法制造的叶轮流道磨料流前后粗糙度变化情况。结果表明：电加工叶轮可以获得更低的流道粗糙度，磨料流前粗糙度低的叶轮会获得更好的抛光效果，磨料流抛光技术更适合应用于电加工叶轮。

关键词：叶轮；电火花；磨料流；粗糙度

引言

空分压缩机组广泛应用于煤化工、化肥、炼油等领域，是整个化工流程的核心装备。目前，全球仅有西门子、曼透平、沈鼓集团等少数企业具备10万等级及以上空分压缩机组设计、制造能力。

空分压缩机组由空压机和增压机组成，为长周期连续运转设备，其增压机由叶轮进行做功，工作介质为空气，叶轮效率稍有提升，即可大大降低能源消耗，节约数以百万计的运营成本。

1 叶轮流道粗糙度对增压机效率的影响

20世纪70年代以来，压缩机企业广泛采用“三元流”设计理论对叶轮子午流道结构尺寸进行优化，改善流场，提升其对内部工作介质做功能力，进而提高效率[1]。

此外，工作介质在叶轮流道中流动时，由于流体存在粘性产生阻力，会造成流动损失，流动损失的计算公式为[2]：

其中：λ-沿程阻力系数；l-流道长度，m；R-流道截面水力半径，m。

介质在叶轮中高速流动，其沿程阻力系数主要与流道表面粗糙度相关。因此，在叶轮流道加工完成后，对流道进行抛光，降低流糙度，可有效提高叶轮效率。

沈鼓集团刘向东等人，通过对离心压缩机窄流道闭式叶轮进行磨料流抛光，使叶轮流道粗糙度降低两个数量级，压缩机整机效率提高1%左右[3]。

2 增压机叶轮流道加工及抛光

以某10万等级空分增压机为例，共有6级叶轮，其首级叶轮为半开式三元叶轮，2-6级叶轮为闭式三元叶轮。叶轮材质为FV520B，是由英国Firth-Vickers材料研究室开发的一种具有高强度、良好耐蚀性能、冲击韧性和焊接性能的马氏体沉淀硬化不锈钢，化学成分如表1所示：

2.1 叶轮流道加工方式选择

为保证叶轮流道加工精度，该增压机首级叶轮采用五坐标加工中心铣制加工。2、3级叶轮由于流道较宽，通过三维仿真，可采用整体铣制方法进行加工。4-6级叶轮由于流道出口较窄，受刀具可达性限制，无法进行整体铣制，为保证流道精度，选择电火花加工方式加工。

在电火花加工时，由于叶轮受到局部骤热、骤冷及高温、高压的物理化学作用影响，会在流道表面形成变质层，产生残余拉应力。由于增压机叶轮工况为高转速、高离心力，为保证可靠性与安全性，不能允许变质层存在。

经过H. Ramasawmy 等研究，变质层平均厚度与电火花加工参数经验公式为[5]：

AWLT=148.5×I0.4×t0.26 （2）

其中：AWLT-变质层平均厚度，μm；I-脉冲峰值电流，A；t-脉宽时间，μs。

上式表明变质层平均厚度取决于峰值电流与脉宽，所以在电火花加工叶轮流道时要通过控制峰值电流大小、脉宽时间及采取粗、中、精分档加工的方式控制电火花变质层厚度。

2.2 流道抛光加工

在完成叶轮流道加工后，为进一步降低叶轮流道粗糙度，需对流道进行抛光加工。目前，比较理想的方法是采用磨料流技术，不仅可以降低叶轮流道粗糙度，还可以去除电加工变质层[6]。

磨料流是采用半固态流体磨料，在高压下反复挤压固定于专用夹具上的工件表面的技术[7]，20世纪60年代最早由美国提出，80年代初引入我国，最早应用于航天领域，对异型孔、薄壁件、复杂型腔的磨削抛光也有很大优势[8]。

磨料流加工主要受磨料、加工参数、夹具三大因素影响，其中加工参数又与循环次数、加工压力、磨料流速有关。经过试验，我们设计了专用夹具，采用专用磨料，选取循环次数30、加工压力22BAR、磨料流速7dL/sec的参数对增压机1-6级叶轮流道进行磨料流抛光加工。

3 叶轮磨料流前后粗糙度测定

为检验磨料流抛光效果，需对叶轮磨料流前后粗糙度变化情况进行测定，由于叶轮流道为变截面，磨料在加工过程的流速也是变化的，大致如图1所示：

由图1可知，在IV处磨料流速最低，抛光效果最差，同时由于叶轮流道扭曲，只有此处便于粗糙度测定。

我们分别选取1级叶轮（半开铣制）、2级叶轮（整体铣制）、4级叶轮（电火花加工），在其出口IV区域120度方向选取3点于磨料流前后进行粗糙度测定，结果如表2所示：

由上表可知，磨料流前粗糙度较低的流道，经过磨料流加工会获得更好的加工效果；采用电火花方法加工流道比铣制加工能获得更好的粗糙度效果；电火花叶轮通过磨料流加工不仅能去除变质层，同时粗糙度降低明显。

4 结束语

通过降低空分压缩机组增压机叶轮流道粗糙度，可降低流动损失，有效提高机组效率。相比于五坐标铣制，电火花加工叶轮可以获得更低的流道粗糙度。

电加工叶轮变质层必须去除，在加工过程中可通过控制峰值电流、脉宽时间等参数降低变质层平均厚度。

磨料流前叶轮流道粗糙度越低，磨料流加工后会获得更好的加工效果。磨料流加工更适合对电加工叶轮进行抛光，不仅可以去除变质层，而且能够获得比铣制叶轮更好的粗糙度效果。

参考文献

[1]周建新.运用“三元流”技术对煤气鼓风机的增容改造[J].机械工程与自动化，2005：106-107.

[2]杨诗成，王喜魁.泵与风机（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]刘向东，季田，庞占元，等.离心压缩机叶轮流道磨料流抛光及其对压缩机效率的影响[J].组合机床与自动化加工技术，2009（3）：12-15.

[4]刘晓禹，于丽萍.热处理对马氏体不锈钢FV520B的组织和力学性能的影响[J].一重技术，2005（4）：27-28.

[5]Ramasawmy H，Blunt L，Rajurkar K P.Investigation of the relationship between the white layer thickness and 3D surface texture parameters in the die sinking EDM process[J].Precision Engineering，2005，29：479-490.

[6]Loveless T R，Williams R E，Rajurkar K P.A study of the effect of abrasive flow finishing on various machining machined surfaces[J].Journal of Materials Processing Technology，1994（47）：133-151.

[7]高航，吳鸣宇，等.流体磨料光整加工理论与技术的发展[J].机械工程学报，2015（4）：174-187.

[8]周锦进，方建成，徐文骥.光整加工技术的研究与发展[J].制造技术与基础，2004（3）：7-11.