小流量高壓比離心壓縮機的研制

紀芳靜

（長沙賽爾透平機械有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

離心壓縮機可廣泛應用于化工、石油、冶金、制藥、煤化工、紡織、清潔能源、環保、國防、空氣儲能、制冷、空分等和國計民生息息相關的各個領域，且作為所在領域的重要（核心）設備，具有不可替代的作用。相比于容積式壓縮機，其具有效率高、故障少、運行平穩等優點。

近年來，受益于新材料、新技術、先進制造工藝、先進制造理念的應用及設備加工精度的提高，離心壓縮機流量范圍下限也越做越低，目前離心壓縮機的最小流量范圍已經覆蓋到了羅茨、往復式、螺桿式等容積式壓縮機的大部分流量范疇。并在一些行業逐步替代羅茨、螺桿、往復壓縮機的部分市場。

在我國大力倡導節能減排，綠色發展的大時代背景下，對離心壓縮機往小流量、高壓比等方向展開技術研發很有必要。該文根據某用戶工藝氣體參數需求，對小流量、高壓比的高效離心壓縮機相關方面進行技術研發。

1 設計參數表

根據用戶提供的工藝氣體參數，設計壓縮機的參數。某用戶對工藝氣體參數需求，見表1，該參數即為設計參數。

表1 設計參數表

2 研發的創新點暨研制難點及解決辦法

2.1 “多軸+多軸”機組軸系模式

由于工藝氣體出口壓比達到了42.61，按離心壓縮機平均每級壓比1.5～2計算，并考慮級間管路及冷卻器壓力損失，需要7～10級葉輪壓縮。

如果采用傳統單軸式，壓縮機軸系較長，并且多個尺寸相差較大的葉輪共用一個轉速，其能耗將會較高，其穩定性也會受到影響。

如果采用傳統多軸式，目前國產離心壓縮機，三軸六級即為上限，四軸八級等均依賴國外廠家技術。

近年來，國內運用的機型通過機型組合模式，出現了單軸+單軸，單軸+多軸等一拖二機組組合模式[3]。我國已成功開發過“單軸+多軸”小流量、高壓比電機一拖二等項目，針對該項目流量更小，壓比更高的設計要求，低壓缸采用多軸機型比采用單軸機型更為合適。最終決定采用“多軸+多軸”電機一拖二的機型組合模式。

低壓缸（多軸等溫離心壓縮機）、高壓缸（多軸等溫離心壓縮機）通過雙輸出電動機驅動。電機采用雙軸伸型式，一軸伸端通過擾性聯軸器聯接低壓缸，另一軸伸端通過擾性聯軸器聯接高壓缸，如圖1所示。

圖1 機組軸系模式：多軸低壓缸+電機+多軸高壓缸

2.2 氣動設計方案優化

初步氣動設計為低壓缸、高壓缸均為四級等溫壓縮。由于該機組壓比高，進口態容積流量逐級遞減，尤其是最后幾級，進口態容積流量極小。這樣后面幾級葉輪將會很小，且葉輪出風口寬度將會很窄，大大提高葉輪的焊接、加工難度。

通過對大量的氣動方案比較分析，不斷優化設計，確定最終方案：提高后面幾級工作轉速（七、八級轉速提高到38600r/min）、加大葉輪出風口寬徑比、第七級壓縮后不冷卻直接進入第八級壓縮，全部采用三元葉輪等。通過這些方法來解決方案可行性、葉輪加工難度和能耗等方面的問題。

根據最終方案，確定葉輪幾何參數表，見表2。

表2 各級葉輪最終設計結果及各參數對比表

2.3 整體撬裝塊結構

整套機組主要部件包括低壓缸、高壓缸和驅動雙輸出電動機、冷卻器、稀油潤滑系統、管路系統與控制系統。

通常情況下，壓縮機撬裝結構一般是單臺（單缸）壓縮機撬裝，目前國內由2臺（雙缸）壓縮機做成撬裝式的極少。由于該機組壓縮機主機、電機、級間冷卻器及級間管路的尺寸均較小，從降低壓縮機級間壓損、保證質量、降低制造成本、布置緊湊、降低廠房等土建成本、方便操作維護等方面出發，采用整體撬裝式結構，低壓缸、高壓缸、主電機和潤滑油系統均集成在一個整體撬裝底座上，氣體冷卻器放至在撬裝塊兩側，如圖2所示。

圖2 機組整體撬裝塊結構示意圖

2.4 轉子動力學分析計算及優化

轉子動力學分析計算機優化設計對離心壓縮機組尤為關鍵，其直接影響到壓縮機的運行平穩及機械性能。

“多軸+多軸”一拖二離心壓縮機中的壓縮機高壓缸及低壓缸共有6根（齒輪）軸，且各轉子運轉速度高，轉子軸系尤為復雜。齒輪嚙合、各轉子的耦合增大了扭轉振動及動力學分析計算難度。

利用“CMD-Rotor轉子系統動力學分析軟件”為“多軸+多軸”一拖二機組建立了工程精度高、計算效率高的轉子動力特性分析模型，通過分析轉子不平衡響應、轉子靜撓度計算分析、轉子及葉輪熱機載荷下變形分析得到轉子的總變形，并結合氣缸的變形分析，完成了動靜間隙的最優控制，降低了機組的能耗。轉子橫向臨界轉速圖：第一軸轉速與渦動頻率的圖中，實線為第一軸升速轉速，點劃線為轉子固有頻率。軸的渦動頻率與固有頻率轉速有關。在升速中固有頻率下與升速曲線交叉點轉速為一個臨界轉速，在實際運行中到臨界轉速應快速通過以防振動加大；第一軸轉速與對數衰減率的圖中，實線為對應轉速下的對數衰減率，用來判斷轉子是否失穩，當對數衰減率為0時，對應轉速為軸的失穩轉速，如圖3所示。

圖3 轉子橫向臨界轉速圖

高、低壓缸轉子的不平衡響應盡量小，轉子軸心軌跡平穩。轉子軸心軌跡是不平衡響應軸心軌跡圖是軸在升速過程中，軸在XY2個方向的振動幅度形成的軌跡，通過振幅的大小判斷軸的平穩性。如圖4所示。

圖4 轉子軸心軌跡示例圖

2.5 葉輪設計

葉輪的主要作用是把能量有效地轉換為機械功，并輸出給軸端[1]。葉輪為離心壓縮機的核心，直接關系到壓縮機的性能和效率，其質量直接影響離心壓縮機的能量轉換效率。

目前在離心壓縮機領域，中國與世界先進水平的主要差距在于缺少效率高、工況范圍寬廣的高性能的葉輪設計方法和制造技術。國外透平機械制造廠大都采用空間直線元素三元葉輪的設計方法，雖然其數控加工工藝性能好，但其葉型為直線（葉頂到葉根），限制了氣動性能的進一步提高。在設計中我們突破了葉片造型中采用“直線元素”的約束條件，采用任意空間自由曲面構造葉片來實現氣動性能設計更大的自由度的目標。采用逆命題的設計方法，由期望的流場，直接求得相應的葉輪幾何形狀及尺寸。解決葉輪內全部流動狀態控制和葉片光滑可加工之間的矛盾，確保寬度和軸向尺寸較小葉片的葉輪內部氣體的流動良好。

這樣所得的葉輪葉片幾何形狀從葉頂到葉根為一條空間扭曲的曲線，葉輪的子午面、回轉面及葉片的設計中采用了任意曲面設計方法進行葉片造型，有效控制葉輪內所有流體質點的運動，其壓縮機整機效率高于采用直線元素三元葉輪整機2%以上。葉輪外形對比，如圖5所示。

圖5 “任意空間自由曲面”三元葉輪直線元素三元葉輪

3 主機結構

多軸離心壓縮機，主要是由齒輪箱、軸承、蝸殼、隔板、導流器、轉子組以及進口預旋調節結構等組成[2]。氣體從進口預旋器進入第一級葉輪，經高速旋轉的葉輪壓縮后提高了壓力，并以較高的流速進入擴壓器中，氣體在擴壓器中流速降低，壓力進一步升高后由蝸殼匯集，由排氣管送出，經氣體冷卻器冷卻后，再進入下一級葉輪壓縮。

齒輪箱采用焊件結構，沿齒輪軸線的水平面將箱體分為上、下2個部分。大齒輪采用硬齒面漸開線斜齒輪，其中齒輪軸為優質合金鋼鋼，小齒輪及軸采用整體結構，選用滲碳鋼，齒面經過滲碳處理，以提高其硬度，經過磨齒處理后可以提高精度。

軸承大齒輪徑向采用錯位瓦滑動軸承，止推軸承為平面推力軸承，小齒輪采用可傾瓦徑向軸承，小齒輪通過推力盤結構把軸向推力傳給大齒輪，更好地保證了轉子系統的穩定性。

轉子為壓縮機的高速轉動件，分為轉子Ⅰ、轉子Ⅱ及大齒輪軸，大齒輪和齒輪軸采用過盈連接，轉子Ⅰ、轉子Ⅱ包括葉輪、主軸、齒輪和聯接螺栓等零件。

進口預旋調節機構（IGV）安裝在每臺壓縮機的一級葉輪進口前面，通過傳動機構與氣動結構連接，從而控制葉片轉動角度，以改變進口氣流預旋角度。主機結構剖面圖如圖6所示。

4 結論

氣動參數的優化使主機結構更加合理；軸系參數與機組結構改進使機組模式更新穎，軸系更簡單，提高了機組的穩定性，減少了用戶土建等成本投入；通過轉子動力學分析軟件進行動力學、穩定性分析，解決了一拖二離心壓縮機穩定運行的難題。使用整套機組的最終設計方案，成功完成了首臺“多軸+多軸”小流量（末級葉輪進口態容積流量221Nm3/h）、高壓比（總壓比42.61）電動一拖二離心式壓縮機組。且樣機已經在用戶單位安裝并成功運行，運行中流量、振動和軸承溫度等參數均達到了設計要求。“多軸+多軸”一拖二機組的研制成功使離心壓縮機在小流量和高壓比方面取得了突破，進一步拓寬了離心壓縮機的流量適用范圍。

圖6 多軸離心壓縮機主機剖面圖