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

來源:   2014年04月24日 14:04   8201
  導(dǎo)讀:針對入口壓力高于大氣壓力較多的單級組裝式離心壓縮機(jī)軸向氣動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,簡述了平衡盤結(jié)構(gòu)減小轉(zhuǎn)子殘余氣動推力的原理及計算方法,以特定機(jī)型為例,對轉(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。
  
  
  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、化、低成本的方向發(fā)展,這樣就對化工流程的核心設(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)組均采用單級懸臂式壓縮機(jī)的設(shè)計,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,往往采用單級半開式壓縮。
  
  3)機(jī)組入口流量大。
  
  4)機(jī)組組分相對簡單,以安全無毒介質(zhì)為主。
  
  對于進(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,單級壓差小等特點(diǎn),軸向推力對齒輪、軸承設(shè)計的影響不是很明顯,但對于入口為高壓的單級組裝式離心壓縮機(jī),軸向推力的問題變得十分重要。首先,由于其進(jìn)口壓力高,單級壓比大,所以其單級壓差很大;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。因此其計算軸向推力數(shù)據(jù)的大小,對壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定有著至關(guān)重要的作用。軸向推力的大小直接影響是傳動部分的主要設(shè)計參數(shù),直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),同時,其大小及方向?qū)C(jī)組的轉(zhuǎn)定子間隙設(shè)計影響重大,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軸向推力,使得齒輪,軸承的設(shè)計難度大大的下降。下面以該機(jī)組為例,對優(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)計參數(shù)
  
  該壓縮機(jī)設(shè)計參數(shù)見下表。
  
  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。
  
  
     三、平衡盤調(diào)節(jié)軸向推力的原理

  1.軸向推力計算

  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。軸向推力計算公式如下。
  
  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)鈩恿0、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,所以氣動力F只能通過調(diào)整dp的大小以改變氣動力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
  
 ?。?)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)行齒輪傳動設(shè)計,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)計準(zhǔn)則中,考慮高速輕載齒輪傳動的安全性,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)計存在很大的風(fēng)險,即使通過放大安全系數(shù)的方法完成轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制造,在機(jī)組實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也可能出現(xiàn)傳動部分故障,機(jī)組運(yùn)行存在隱患。
  
  
  
 ?。?)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)計風(fēng)險大大下降,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,由于此時P2=P1,從圖2可知,加裝平衡盤后,會使得軸向推力有增大的趨勢,因此在加裝平衡盤時,也要考慮到機(jī)組在全壓開車狀態(tài)時,推力軸承負(fù)荷是否能滿足規(guī)范要求。對于本機(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)計規(guī)范內(nèi),滿足要求。
  
    
  四、結(jié)語
  
  在進(jìn)口為高壓的單級組裝式離心壓縮機(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)計者的思路,為該類型機(jī)組的設(shè)計工作儲備了技術(shù)。
關(guān)鍵詞:壓縮機(jī)
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