單級(jí)懸臂式壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子軸向推力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)入口壓力高于大氣壓力較多的單級(jí)組裝式離心壓縮機(jī)軸向氣動(dòng)殘余推力過大的問題進(jìn)行轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡述了平衡盤結(jié)構(gòu)減小轉(zhuǎn)子殘余氣動(dòng)推力的原理及計(jì)算方法，以特定機(jī)型為例，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)子殘余推力的數(shù)值進(jìn)行解算。

　　

　　關(guān)鍵詞：懸臂式壓縮機(jī)  轉(zhuǎn)子推力  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　

　　一、前言

　　

　　目前我國石油、化工、制冷、化肥等企業(yè)正朝著大型化、集中化、高效化、低成本的方向發(fā)展，這樣就對(duì)化工流程的核心設(shè)備，離心壓縮機(jī)有了更高的要求。就現(xiàn)階段煤化工裝置中的催化劑再生單元循環(huán)氣壓縮機(jī)及空分裝置中的部分空氣及氮?dú)庠鰤簷C(jī)組均采用單級(jí)懸臂式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，此類機(jī)組的特點(diǎn)如下。

　　

　　1）機(jī)組入口壓力較高，一般在0.5～1.5MPa之間。

　　

　　2）機(jī)組壓比一般在1.9～2.4左右，往往采用單級(jí)半開式壓縮。

　　

　　3）機(jī)組入口流量大。

　　

　　4）機(jī)組組分相對(duì)簡單，以安全無毒介質(zhì)為主。

　　

　　對(duì)于進(jìn)口為常壓的組裝式壓縮機(jī)機(jī)組，由于其進(jìn)口壓力低，單級(jí)壓差小等特點(diǎn)，軸向推力對(duì)齒輪、軸承設(shè)計(jì)的影響不是很明顯，但對(duì)于入口為高壓的單級(jí)組裝式離心壓縮機(jī)，軸向推力的問題變得十分重要。s*先，由于其進(jìn)口壓力高，單級(jí)壓比大，所以其單級(jí)壓差很大；第二，由于其質(zhì)量流量偏大，導(dǎo)致葉輪直徑偏大，所以差壓面積很大。因此其計(jì)算軸向推力數(shù)據(jù)的大小，對(duì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定有著至關(guān)重要的作用。軸向推力的大小直接影響是傳動(dòng)部分的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，其大小及方向?qū)C(jī)組的轉(zhuǎn)定子間隙設(shè)計(jì)影響重大，關(guān)系到機(jī)組性能能否達(dá)到預(yù)期要求。

　　

　　沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司為某大型煤化工用戶MTG裝置中再生氣壓縮機(jī)（機(jī)型：SV12-M）的設(shè)計(jì)過程中，通過優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大大減小了殘余氣動(dòng)軸向推力，使得齒輪，軸承的設(shè)計(jì)難度大大的下降。下面以該機(jī)組為例，對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在使用機(jī)組入口為高壓的單級(jí)組裝式壓縮機(jī)組中平衡軸向推力方面的作用進(jìn)行分析。

　　

　　二、再生氣壓縮機(jī)

　　

　　1.壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

　　

　　該壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見下表。

　　

　　壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)表

　　

　　2.結(jié)構(gòu)圖

　　

　　壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　

　　壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

　　

　　圖1  壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

　　

　　三、平衡盤調(diào)節(jié)軸向推力的原理

　　

　　1.軸向推力計(jì)算

　　

　　壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力如圖2所示，大氣壓力為P0，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為P1，出口壓力為P2。軸向推力計(jì)算公式如下。

　　

　

　　

　　圖2 軸向推力示意圖

　　

　　F0=πD12P1/4+GC0          （1）

　　

　　F1=π(D22-D12)P1/4+8π(D24/64-D14/196-D23D1/24-D22D12/32)(P2-P1)/(D2-D1)2  (2)

　　

　　F2=π(D22-dm2)P2/4-πρmμ22[(D22-dm2)-(D24-dm4)/2D22]/32        (3)

　　

　　F3=π(dp2-dm2)(P2-P0)/4       (4)

　　

　　F4=πdp2P0/4            (5)

　　

　　F=F0+F1-F2+F3-F4           (6)

　　

　　由于壓力P0、P1、P2是設(shè)計(jì)參數(shù)限定而無法改變，而尺寸D2、D1、dm是由葉輪選型結(jié)果限定同樣很難調(diào)節(jié)，根據(jù)以上公式可知?dú)鈩?dòng)力F0、F1、F2、F4也因以上參數(shù)的固定而無法改變，只有平衡盤外徑dp在碳環(huán)密封的內(nèi)孔線速度允許值內(nèi)可自由調(diào)整，所以氣動(dòng)力F只能通過調(diào)整dp的大小以改變氣動(dòng)力F3的大小來改變，以上即為平衡盤調(diào)節(jié)軸向推力的原理。

　　

　　2.壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子優(yōu)化

　　

　　（1）優(yōu)化前（無轉(zhuǎn)子平衡盤）  優(yōu)化前轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示，氣 動(dòng) 力F=F0+F1-F2 +F3-F4=2773kgf（1kgf=9.8N）。按照此推力數(shù)據(jù)，考慮到推力軸承設(shè)計(jì)使用準(zhǔn)則中的推力負(fù)荷不超過軸承所允許負(fù)荷50%的要求，受限于機(jī)組結(jié)構(gòu)，在不能無限制加大推力軸承尺寸的情況下，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)需要依靠齒輪的嚙合推力抵消相應(yīng)推力，以保證機(jī)組安全運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，得出齒輪螺旋角需要達(dá)到25°才可以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定，但在公司齒輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，考慮高速輕載齒輪傳動(dòng)的安全性，規(guī)定的單斜齒齒輪中螺旋角一般不超過18°，如果采用該方案，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，即使通過放大安全系數(shù)的方法完成轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制造，在機(jī)組實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也可能出現(xiàn)傳動(dòng)部分故障，機(jī)組運(yùn)行存在隱患。

　　

　　

　　圖3 未優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

　　

　　（2）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化后  優(yōu)化后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示，氣 動(dòng) 力F=F0+F1-F2+F3-F4=1602kgf。在此推力下，齒輪的選型結(jié)果是螺旋角14°，在我公司常規(guī)齒輪設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，且在該條件下，推力軸承的尺寸也小于加裝平衡盤前。在加裝平衡盤后，使得齒輪和軸承的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)大大下降，改善了轉(zhuǎn)子的工作穩(wěn)定性，保證了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)機(jī)組的功率損失和耗油量也有明顯的減小。

　　

　　但考慮在全壓開車工況時(shí)，由于此時(shí)P2=P1，從圖2可知，加裝平衡盤后，會(huì)使得軸向推力有增大的趨勢，因此在加裝平衡盤時(shí)，也要考慮到機(jī)組在全壓開車狀態(tài)時(shí)，推力軸承負(fù)荷是否能滿足規(guī)范要求。對(duì)于本機(jī)組，加裝平衡盤后的全壓開車推力為1204kgf，推力軸承負(fù)荷在設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)，滿足要求。

　　　　

　　圖4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

　　

　　四、結(jié)語

　　

　　在進(jìn)口為高壓的單級(jí)組裝式離心壓縮機(jī)組中，平衡盤結(jié)構(gòu)在減小軸向推力方面的作用十分明顯，降低了功耗和油耗，同時(shí)也由于齒輪和軸承工作條件的改善，也大幅度提高了機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，有一舉多得的功效。因此平衡盤結(jié)構(gòu)的引入，拓寬了設(shè)計(jì)者的思路，為該類型機(jī)組的設(shè)計(jì)工作儲(chǔ)備了技術(shù)。

　　

　　參考文獻(xiàn)

　　

　　[1] 徐忠.離心壓縮機(jī)原理[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

　　

　　[2] 黃中岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.