mco系列多级离心压缩机的设计

mco系列多级离心压缩机的设计

0空分压缩机的研制在冶金和化工过程中，空分是一个重要的装置。随着冶金、化肥装置的大型化,相应的空分装置规模也越来越大。在大空分装置中,压缩机是核心设备,其稳定性、可维护性以及能耗高低都是衡量空分装置技术水平的重要指标。因此开发设计满足市场需要的新型空分压缩机就成为透平压缩机制造厂的重中之重。以前在1~3万Nm3/h空分规模上,国内各透平机械厂都没有独立设计制造合理配置的高效单轴离心压缩机的能力,因此该项技术的开发对大型空分国产化,具有重大意义。此次研制的MCO系列离心压缩机直接由汽轮机驱动。在同种设计参数条件下,MCO压缩机与常规双缸压缩机方案相比多变效率提高4%~5%,相当于双缸方案(DMCL+2MCL),接近于组装式压缩机效率。MCO系列单轴悬臂多级离心压缩机产品型号以MCO1004为例含义如下:M表示主体结构为水平剖分;CO表示悬臂离心压缩机;100表示首级压缩机叶轮名义直径为1000mm;4表示该压缩机共有4个叶轮。1叶轮的优化设计空分用空压机参数范围比较稳定,进口压力为大气压,排气压力一般在0.62MPa(A)左右,进口温度一般为28℃,流量根据空分规模的不同,变化较大。针对该种参数,常规单轴压缩机需要采用5级周速相近的闭式叶轮完成压缩,以保证总的加功量。这样最后3级则由于流量较小造成流道较窄,整机效率不能太高。利用原有技术采取变型设计则可采用双吸方案,前两级双向进气(4个叶轮实现),后3级单向进气,减小了叶轮直径,这样各级都可采用流道较宽的高效叶轮,整机效率得到了明显提高。但是双吸方案由于增加了两个叶轮,单缸方案受转子动力学限制不能实现,必须采用双缸方案,造成了制造运行成本的增加。针对这一特定参数,如何在气体动力学与转子动力学两个矛盾中找到突破口,既不增加叶轮,又可使各级叶轮相匹配,选用高效基本级就成为问题的关键。2机组研制开发任务的研究MCO系列压缩机从气动性能设计、结构设计、转子动力学等方面都与常规机组不同,在大量的调查研究工作后,综合了多种类型透平机械的先进技术,最终完成了机组的研制开发任务。2.1级闭式高效叶轮2.1.1在组装式压缩机设计中,常采用半开式叶轮。由于没有轮盖,在同样强度材料下其允许周速明显高于闭式叶轮。同时在不牺牲效率与运转范围(带进口导叶)的情况下,单级压比一般都可达到2.1左右;同时由于其允许周速要比闭式叶轮高得多,在同样转速下,可以吸入更大流量。如果采用大流量半开式叶轮作为第一级应用于单轴压缩机上,即可取代两级闭式叶轮。这样,后几级闭式叶轮周速较低,叶轮直径较小可采用宽三元高效基本级,提高了整机效率,相当于双缸方案。2.1.2如上所述,气动问题的解决方案是一级半开式高效叶轮(带进口导叶),三级闭式宽三元高效叶轮满足空分用空压机气动性能的需要。这样,如何在一个缸中实现其合理布置以满足转子动力学要求就成为解决问题的关键。在研制向心膨胀机+离心压缩机整合机组中,曾采用一级向心膨胀机悬臂布置在单轴多级离心压缩机的外侧的结构方案。在此启发下,确定了压缩机的结构方案,即第一级半开式高效叶轮布置在悬臂端,一级压缩后即进行冷却,再进入第二、三级闭式叶轮压缩,冷却后进入第三级压缩,保证出口温度低于100℃。这样单缸布置,两次中间冷却,整机效率可与单轴双缸方案及组装式压缩机相当,极富市场竞争力。2.2气动优化方案设计采用CALC300进行了离心压缩机气动设计分析计算及热物性计算。CALC300采用LKZX(对比压力、对比温度、偏心因子、极性系数)四参数通用对比态(对比参数都相同的状态)方程,利用高效半开式叶轮、高效闭式叶轮基本级计算出的优化方案,保证压缩机耗功低,稳定运转范围宽。为保证气动计算的准确性,该程序包不仅对叶轮进行了气动设计,还对蜗室(机壳)进行了气动设计,有效地避免了由于不合理蜗室的设计带来气流混乱,最终导致离心压缩机效率下降的问题。在变工况性能分析中,考虑了转速变化、进口气流角变化和部分进气角度变化3种性能调节方式对离心压缩机气动性能的调节作用,有效地满足了不同应用场合对离心压缩机性能调节能力的要求。2.3结构设计2.3.1图1显示了单轴悬挂臂的多级离心方案的结构配置2.3.2第一悬臂叶片安装类型确定采用横键加立键传递扭矩,小过盈锥轴配合保证叶轮前半部分在高速旋转时不松动。2.3.3选择考验悬臂端半开式叶轮周速高,质量重,对压缩机临界转速和叶轮材料的选择都将是一个考验;必须设计出结构合理的叶轮,在保证强度的前提下,减轻叶轮质量。同时考虑加工设备的承受能力,热处理后材料硬度控制在310HB左右,即屈服强度等级控制在833MPa以下。2.3.4钢板拼接焊接主要考虑保证刚度前提下减轻质量,以保证装配后重力作用下变形小。由于压力较低,采用25mm钢板拼焊而成。与压缩机端法兰连接处,止口设计得较宽,以保证装配刚性。由于流量较大,该蜗室设计为变截面流道,同时考虑下料及焊接方便,变截面采用螺旋板实现。2.3.5进口导叶的预旋作用由于半开式叶轮性能曲线较短,为适应空分压缩机组变工况的需要,增加了进口导叶调节器。对于压缩机来讲,进口导叶设计得离叶轮比较近时,其预旋作用比较明显,调节性能更好。此次设计采用气动执行机构,通过平行传动机构驱动导叶叶柄,避免了导叶执行机构在传动过程中,由于直线与弧线的匹配误差造成执行器指示角度与导叶实际角度的误差。2.3.6mec软件流场分析技术的效果MCO1004模型级采用三元流动叶轮和高效二元轮。我公司一直在引进技术基础上致力于高效叶轮的开发。通过与中科院联合开发三元流设计软件,引进美国NREC软件和NUMEC软件,在流场分析技术上完全达到了国际先进水平。在完成了高效基本级设计的基础上,通过大量的模型级试验,形成了完备的高效叶轮系列,其中包括宽三元、窄三元、高效二元、高效窄二元。自80年代中期应用于离心压缩机设计中以来,取得了良好的现场运行效果,压缩机运行效率显著提高。特别值得注意的是我公司开发的基本级在理论分析的基础上,更注重实践研究。即所有模型级的性能数据均通过大量的试验得出。所以压缩机理论计算值与实际运行值能很好地吻合。这也就保证了压缩机各项性能指标能够严格满足要求。2.3.7转子和转子旋转轴影响压缩机效率的另一个方面是定子。压缩机内部能量转换可以简单地认为在转子和定子两部分进行。通过叶轮旋转,压缩介质获得静压能和动能,大部分动能要经过定子中的扩压器、蜗室来转化成压力能。由于存在能量转换,因此定子件的效率也直接影响压缩机的整机的效率。2.3.8焊接机壳压缩机自1992年第一台2MCL1005离心压缩机焊接机壳研制成功,并获得辽宁省科技进步二等奖以来,我公司已生产焊接机壳压缩机数百台。目前,我公司压缩机几乎全部采用焊接机壳。焊接机壳彻底解决了铸造机壳频频出现的气孔、夹渣、裂纹等缺陷,不仅保证了压缩机制造质量,而且确保了产品的交货期。2.3.9通流部分的试验我公司开发设计的高效率模型级不仅仅局限于叶轮,而是包括整级的通流部分,即叶轮、扩压器、弯道、回流器。并且试验也是针对整级的,因此试验的数据充分体现了整个级的性能。这种开发方式不仅能使动静元件之间形成良好匹配,同时可以确保压缩机的性能。2.3.1叶轮性能偏差压缩机进气、排气蜗室对于压缩机的性能的影响也是至关重要的,进气蜗室型线的优劣直接影响压缩机首级叶轮进口流场的速度分布,更可能导致该级叶轮性能出现偏差。而首级叶轮性能的偏差对于压缩机整机性能的影响是巨大的。排气蜗室型线的优劣将直接影响压缩机的出口压力。我公司与中科院联合开发的压缩机进、排气蜗室三元粘性流动分析软件,有效地应用于MCO1004机壳设计中,使之具有最优型线,提高了整机的性能。2.4临界转速不平衡该机组的转子动力学是设计中的关键,因此在结构设计中必须充分考虑。在方案设计中,一切都围绕转子动力学优化这一点考虑。鉴于压缩机组在整个工艺流程中的核心地位,必须保证机组的安全稳定。在单轴悬臂离心压缩机组推出过程中,首先瞄准空分市场主风机,是建立在主风机特定参数的基础上的。这样设计出的转子通常工作转速是在二、三阶(RBSP计算)之间,并有较大的隔离裕度。另外该机组在临界转速计算和不平衡响应分析中采用与西安交通大学、上海复旦大学联合开发的RBSP软件,该软件同样采用有限元法,力学模型完善,计算精度高,并且计算中充分考虑了轴承的刚度系数和阻尼,其计算得到的临界转速振型曲线经大量试验,具有较高的准确性与可靠性。首先采用固定转速下临界转速计算预估出与工作转速相关的临界转速个数,再去寻找具体的临界转速。这样可以避免理论计算过程中,因为不平衡响应点的设置不完善,未激出波峰而漏掉某一阶临界转速的错误。同时该机组在临界转速计算中考虑了半开悬臂叶轮的集中直径转动惯量,使计算能够更精确地考虑半开悬臂叶轮的影响,以更接近真实转子。进风筒设有喷水装置,可有效地避免首级半开式叶轮积灰造成的机组振动。图2中为MCO1004单轴悬臂多级离心压缩机不平衡响应曲线。3mco系列压缩机组应用前景广阔(1)随着MCO系列压缩机组在空分用空压机市场的广泛应用,机组的设计将趋于更加合理,安全性将更有保证。随着市场的进一步发展,该机型将不能局限于空分用主风机使用,将在完善轴端密封系统的前提下,进一步扩展应用于氮气压缩机等机组。(2)随着转子动力学计算模型的进一步完善,机组将不只局限于3段4级压缩,在保证机组稳定性的前提下,增加压缩级数,提高压比,适应某些高压比的工况要求。(3)目前,我国合成氨装置“油改煤”项目、天然气合成氨化工中二段转化炉加氧增产合成气、煤化工合成氨自身的扩容改造(德士古水煤浆气化)等都将需要中大型空分装置。此外,冶金行业对空分的需要也是愈来愈多,因此MCO系列压缩机组的市场应用前景极其广阔。当然,由于冶金行业空分多是电机驱动,外压缩流程,因此在与组装式压缩机的竞争中MCO系列压缩机组优势不明显,在市场应用中仍为空白。但随着国家经济的进一步发展,大功率压缩机组中电、蒸汽的使用经济性必将成为空分投资的主要考核指标。因此可以确信,针对于汽轮机驱动所推出的MCO系列压缩机在空分市场中应用前景将一片光明。自2002年底,推出首台单轴悬臂多级离心压缩机方案竞标浩良河1.8万空分以来,在短短9个月内先后在浩化1.8万空分、山西丰喜1.4万空分、陕西神木2.8万空分、长山