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离心压缩机结构形式发展现状与展望
日期:2015年11月24日 来源:上海long8国际(www.ccpue.com.cn)

 

  2.3其它形式的单轴压缩机

  除了前面提到的水平剖分型和垂直剖分型单轴离心压缩机,还有其它几种形式特别的单轴离心压缩机。

  2.3.1单级悬臂离心压缩机

  单级悬臂离心压缩机仅有一个叶轮,适合于中小压比,较大流量的工作场合,广泛应用于水蒸气压缩、硫磺制酸、氯化氢、工艺气体增压等领域。一般来说,该类型压缩机有着如下特点:结构紧凑,轴向进气,变工况范围宽,通常都配置有可调进口导叶,低压机壳采用焊接或铸造,高压机壳采用铸造或锻造。如图22为GE公司(左)和西门子公司(右)较为典型的两台单级悬臂离心压缩机。

 

  2.3.2带悬臂级的单轴多级离心压缩机

  带悬臂级的单轴多级离心压缩机是将悬臂单级压缩机与普通单轴离心压缩机合二为一的产物。一般来说,该型式的压缩机首级采用悬臂半开式叶轮级,其它叶轮级则采用闭式叶轮级。由于半开式叶轮级许用周速的提高,与闭式叶轮级相比,其气体吸入能力得到了很大的提高。因此该类型压缩机与同样尺寸的普通单轴离心压缩机相比,其适用的气体流量可增加一倍以上,与普通的双吸入式单轴离心压缩机相比,叶轮级数少,结构更加紧凑。

  沈阳鼓风机集团在2004年设计了一种外置中冷器的带悬臂结构的压缩机(如图23所示),应用于大型空气分离设备中。该压缩机采用轴向进气、逐级冷却结构。进口蜗壳带有垂直剖分结构的痕迹,采用轴向把合结构。尺寸最大的进气风筒轴向布置,有效解决了风筒的布置难题。另外还有一种内置冷却器的单轴离心压缩机,如图24a所示德国曼透平公司研制的产品。该种压缩机的优点在于:内置气体冷却器使结构更加紧凑;可以用于单层布置,降低了土建成本;与外置冷却器相比也有效降低了设备成本。该种压缩机的缺点是:气体冷却器垂直方向拆装,检修高度要求高;特别在机组双层布置时厂房以及行车设计困难。西门子公司最近推出了另一种内置冷却器的单轴离心压缩机,如图24b所示。或许能够避免这个缺点。

  但是两者都存在着凝液析出点与压缩机入口不存在位差的缺点,在气液分离器有故障的情况下,凝液存在进入压缩机内部的可能性。

  2.3.3轴流+离心组合式压缩机

  轴流+离心组合式压缩机综合了轴流压缩机与离心压缩机的优点,适用于大流量高压比的工作场合,特别是在大型空气分离设备配套的空气压缩机、大型高炉鼓风用压缩机等领域有较多应用。国际上曼透平和西门子是该种形式压缩机的主要供货商。

 

  目前,沈鼓正在为宁夏某用户制造此类压缩机,这是国内研制的第一台为大型空分配套的轴流+离心压缩机。

  根据轴流压缩级与离心压缩级的不同配置形式,轴流+ 离心压缩机还可以分为两种形式。一种压缩机的布置形式是在轴流转子末端直接安装离心级叶轮。通常来说,轴流末级排气速度较高,一般都需要配置扩压器来使气体动能有效转化为气体的静压。

  轴流末级后直接连接离心级,节约了轴流扩压器的轴向尺寸空间,因此使结构更加紧凑。但该种机型由于轴流级与离心级气动特性的不同,前后流场可能相互干扰,对气动设计准确性要求较高。当机组运行参数偏离正常范围时,轴流部分气动流场易于恶化而影响运行安全性。

  另外一种轴流+离心压缩机的布置形式是轴流压缩级与离心压缩级分为两段布置,从而降低了轴流与离心压缩级的匹配难度。在轴流+离心压缩机中,设计难点之一在于离心级的气动设计方面。由于轴流压缩级一般来说,轴毂尺寸较大,因此所匹配的离心级需要采用大轮毂比设计,而同时又要保证较高的气动效率和较宽的流量适应范围,这就需要有针对性的开发离心模型级。设计难点之二在于转子稳定性设计方面。由于轴流压缩级数较多,往往转子轴向尺寸较长,转子跨距较大,这使得转子稳定性分析与结构优化设计较为困难。如图25分别为德国曼透平(左)和西门子(右)公司研制的“轴流+ 离心”复合段和独立段单轴离心压缩机剖视图。图中可以明显看出,左面机组采用轴流转子末端直接安装离心级叶轮的结构,而右边机组采用轴流和离心分段设计的结构形式。

  3、齿轮组装式离心压缩机结构

  齿轮组装式离心压缩机是在单轴离心压缩机基础上发展的另外一种基本结构形式。在单轴离心压缩机的具体应用过程中,制造商发现了很多可以改进的地方:

  (1)在电机驱动情况下,单轴离心压缩机的工作转速一般都要高于电机转速,需要增加齿轮增速机来匹配转速。

  (2)在多级压缩时,由于容积气量随着气体压力的提高变小,而各级又须保持同一转速,这就导致了后面各压缩级流量系数较小,无法采用大流量系数的高效三元叶轮压缩,影响了整台压缩机效率。因此相关科研人员开始致力于多轴离心压缩机与增速齿轮一体化设计的工作。

  1948年,德马格(现并入西门子)技术总监奥托·斯科尔博士采用多个单级悬臂离心压缩机与增速齿轮一体化设计,开发了首台齿轮组装式离心压缩机。该压缩机用于空气压缩,进气量为9 000m3/h,排气压力为0.7MPa(图26)。后来尽管德马格申请了专利,同期还有JOY(现并入卡麦隆)、德拉瓦(现并入西门子)、日立、波西格(现并入曼透平)等公司也先后推出了可规避德马格专利的组装式压缩机。

  齿轮组装式离心压缩机根据应用领域的不同,一般可以分为应用于空气、氮气等一般气体的普通齿轮组装式离心压缩机和应用于易燃易爆、有毒、腐蚀性等气体下的工艺气齿轮组装式离心压缩机。其和单轴压缩机相比,在提高压缩机气动性能方面有以下优势:

  (1)压缩机可实现多转速,叶轮可选择最佳转速设计。

  (2)每级叶轮可实现轴向进气,有利于提高叶轮效率。

 

  (3)气体经每级压缩后都可以冷却,通过压缩过程的变化来降低压缩机能耗。

  (4)每一级都可以采用半开式叶轮,通过较高叶轮周速来提升单级压比。

  (5)方便配置进口导叶,为固定转速压缩机的性能调节提供有利条件。

  3.1普通齿轮组装式压缩机

  由于齿轮组装式压缩机的结构紧凑、效率高的优良特性,使其广泛应用于空气、氮气等一般气体压缩装置中。目前,空气、氮气等一般气体压缩机,越来越多地采用的形式是齿轮组装式结构。历经数十年的发展,各制造商对齿轮组装式压缩机不断进行系列化、标准化、模块化工作,逐渐形成了不同的标准系列的齿轮组装式压缩机,使安装使用维护更加方便,交货期更短。

  齿轮组装式压缩机多采用大齿轮轴直连驱动(动力源一般采用电动机),高速齿轮轴一般为1~3个,压缩级为1~6个,压比为1.2~60。如图27 为沈阳鼓风机集团有限公司近期开发的齿轮组装式压缩机。图28为该公司开发的另一种三级齿轮组装式离心压缩机机组。

  齿轮组装式压缩机在结构设计上有如下特点:

  (1)轴端气封布置在压缩级悬臂蜗壳内,防止了压缩机气流被润滑油污染的可能性。一般采用非接触式的迷宫式气封或碳环密封。

  (2)齿轮箱采用水平剖分形式,便于检修内部零部件。

  (3)叶轮采用热装、三角轴或端面齿等结构,安装在高速轴上并由锁定螺母固定,严格的动平衡实验可保证最低的振动值。

  (4) 齿轮轴一般采用高速、精密、单螺旋齿型,按AGMA标准设计。

 

  (5) 低速轴齿轮及高速齿轮轴采用合金钢锻造,通过高质量的精密齿轮来保证高效传动和较低的噪声。

  (6)各压缩级均悬臂布置,方便采用进口导叶和扩压器叶片可调结构,改善大压比叶轮级的变工况性能,拓宽压缩机稳定运行范围。

  3.2工业流程齿轮组装式压缩机

  在很长的一段时间里,人们普遍认为齿轮组装式压缩机只能用于空气、氮气等安全气体压缩场合。但是鉴于齿轮组装式压缩机与单轴压缩机相比存在多方面的优势,各压缩机制造商数十年来一直没有停止对齿轮组装式压缩机的技术完善。目前,齿轮组装式压缩机已经开始应用于各种工艺气体压缩场合,包括有毒的、易燃易爆的、腐蚀性强的气体,如:一氧化碳、二氧化碳、合成气、氧气、天然气、氢气、乙烯、氯气等。1965年德马格(现西门子)首次在齿轮组装式压缩机中应用了干气密封,以避免易燃易爆、有毒气体泄漏。自此开始,齿轮组装式压缩机的开发研究工作不断取得突破。

  随着工艺流程的进一步发展和压缩机设计制造技术的进一步提高,1995年,曼透平公司开发了世界首台套10级齿轮组装式压缩机,应用于俄罗斯一家化肥厂,用于尿素装置二氧化碳气增压。该压缩机进气压力0.1MPa,排气压力20MPa,整机功率4.6×104 kW,末级高速齿轮轴转速高达50000 r/min。为了防止二氧化碳气外漏,采用了碳环密封。

  在此后的不长时间内,西门子也研制出了10级齿轮组装式压缩机应用于高压比的场合(图29)。其最高压比可以达到200,整机功率达到34 000kW。

  日本神户制钢制造的8 MPa齿轮组装式离心压缩机(如图30所示),其机壳采用铸钢制造,和该压缩机一样,在高压齿轮组装式压缩机中,其机壳多采用铸钢制造,特殊气体条件下采用不锈钢铸造。蜗壳的结构形式参照筒形压缩机机壳形式,保证了较高的应用压力。

  随着工作气量和压比的不断增大,齿轮组装式压缩机的功率越来越大,驱动机采用汽轮机往往成为多数用户的选择。而由于汽轮机输入转速一般都高于齿轮组装式压缩机的大齿轮轴转速,往往需要增加一台减速机进行减速。为了进一步整合机组,保持齿轮组装式压缩机组的紧凑性,一些压缩机制造商与齿箱制造商合作推出了集成汽轮机输入齿轮轴的齿轮组装式压缩机,如图31为德国曼透平公司制造的汽轮机输入齿轮轴的齿轮组装式离心压缩机。

  在工艺气齿轮组装式压缩机中,应用较多的主要是二氧化碳气压缩机、氧气压缩机、燃料气压缩机等。在二氧化碳气工艺压缩应用中,由于气体分子量较大,各级压比相对较高,容积流量逐级减小非常明显,采用同一转速设计叶轮级非常困难。因此,可以方便地通过不同的齿轮轴设计来改变各压缩级转速的齿轮组装式压缩机,与采用同一转速的单轴压缩机相比,整机效率通常有较大提高。对于此类压缩机密封设计需要重点考虑。随着各国对节能问题的重视,齿轮组装式二氧化碳气压缩机已经成为工业生产配置的主流。曼透平、西门子等压缩机制造商针对二氧化碳气压缩流程均大量采用齿轮组装式压缩机配置方案。如图32所示为德国曼透平公司为某公司研制的CO2压缩机。

 

  在氧气的工艺压缩应用中,一般要保证氧气的纯度,不允许外界气体内漏至压缩机中。同时由于氧气是一种强助燃气体,泄漏至外界容易引起爆炸,因此氧气压缩机的密封通常需要特殊考虑。在齿轮组装式压缩机中,半开式叶轮的采用往往是提高单级压比,减少整机压缩级数,保证整体结构紧凑性的有效手段。但是半开式叶轮级中叶轮与型环的碰磨便成了影响其安全性的关键因素。在如图33所示,西门子用于氧气压缩的齿轮组装式压缩机中,采用半开式叶轮与青铜材质的型环相配,来避免意外情况下叶轮与型环碰磨打火造成氧压机燃烧。

  在齿轮组装式压缩机中,通过增加齿轮轴,不仅可以增加压缩级来提高压比,还可以实现同一台齿轮组装式压缩机应用满足多种气体分别压缩功能。例如,可以把一台四级压缩和一台两级压缩合二为一,也可以把一台四级压缩和两台单级压缩合三为一。如图34为美国曼透平公司于2003年为本溪某企业研制的2万空分装置。该机组为可同时满足空分设备配套的原料空气压缩机(介质为大气空气)和增压机(介质为干空气)功能的组合式压缩机。下面一层为主风机,上面一层为增压机,压比分别为6和10。如图35为卡麦隆公司研制的空气氮气组合式双齿箱压缩机。

  4、原动机和离心压缩机组合结构

  前面所述压缩机组合结构是输送不同气体压缩机的组合;或者是压缩机不同形式的组合。近年来,压缩机制造商们正在积极探索把压缩机和原动机组合在一起,不仅可以缩小占地面积,还可以省略轴端密封系统,减少压缩机日常维护工作量。

  4.1膨胀机和压缩机组合

  透平膨胀组合式压缩机一般来说可以分为两种:一种是以透平膨胀机为主,压缩机仅作为膨胀机的制动机;另外一种是以压缩机为主,膨胀机仅作为能量回收后的辅助驱动机。

  对于前者来说,通常是一级膨胀级加一级压缩级来完成,膨胀级与压缩级悬臂布置在主轴的两端,不再连接其它转动设备,结构非常紧凑。其悬臂布置的结构与单级悬臂离心压缩机的结构相类似。通常该机组以膨胀机满足工艺性能要求为主,压缩机作为辅助制动设备,其工艺性能随着膨胀机功能的变化而变化。随着磁力轴承技术的成熟,该类型的机组采用磁力轴承可以取消润滑油系统,减少日常维护的费用。如图36所示为美国GE公司开发的单轴透平膨胀压缩机结构图。

  对于后者来说,压缩机仍然是正常地需要满足一定工艺要求的压缩机,只是在非联轴器端外挂一个悬臂膨胀机来对工艺流程中的副产尾气进行能量回收。通常来说,压缩机主体部分采用水平剖分机构形式,膨胀机采用单级向心或者双级轴流结构形式。如图37为沈阳鼓风机集团开发的单轴透平膨胀压缩机,即采用该机构。

  4.2复合组装式压缩机

 

  在组合齿轮组装式压缩机的设计思路上再进一步,就是把能充分利用工艺尾气进行能量回收的尾气透平与压缩机整合为一体。这对工业生产中的节能环保有着非常重要的实际意义。目前,曼透平、西门子、阿特拉斯、三菱重工等很多的压缩机制造商都有此类设计制造的产品,如图38所示为阿特拉斯研制的三级压缩机和一级膨胀机组合的压缩机机组。

  4.3电动机和压缩机组合

 

  随着高速电动机、变频器和磁力轴承技术的发展,采用高速电机驱动的单轴压缩机已经进入到实质性应用阶段。特别是将高速电机与单轴压缩机合二为一,同时采用磁力轴承的配置使得机组获得系统简单、结构紧凑和减少维护工作的优势。目前曼透平、西门子、GE等国际压缩机制造商均推出了相关机型。该类型压缩机有着非常明显的优点:结构紧凑,组部件少;封闭式罐装设计,减去了干气密封系统,杜绝了工作气体泄漏的可能;一体化设计,彻底杜绝了传动联接的安全隐患;可立式布置,有效减少了占地面积;可变转速高速电机的应用有效降低了齿轮传动损失,并提高了稳定运转范围;磁力轴承的应用确保了无油化的实现,系统更加简单;便于实现远程控制,可以用于恶劣环境中。如图39和图40分别为西门子和曼透平公司开发的高速电动机和压缩机组合机型。

 

  5、讨论与分析

  从前面的对离心压缩机结构形式的归纳与总结来看,三大类离心压缩机结构基本呈现递进的发展过程,离心压缩机的结构形式经历了由简单到复杂,又由复杂到集成的发展过程。出于结构紧凑及土建成本考虑,尽管目前还有一些缺点需要克服,内冷式等温离心压缩机将是一个重要的发展方向;由于能大大降低能耗,在一些领域组装式压缩机也将逐渐替代普通单轴的结构;另外,离心压缩机的集成化、撬装化和免维护方向也将取得重大的进展。尽管国内在各类功能离心压缩机领域均有相应的产品,但国内的压缩机制造商研发的离心压缩机还存在结构单一、集成度不够等一些特点。因此,国内离心压缩机的发展还有很大的空间,也需要投入更多的人力和财力来促进我国离心压缩机的多样化发展。

  另外,随着需求的发展与技术的突破,终将出现更为先进复杂的离心压缩机结构,这也对我国的离心压缩机的研发团队提出更高的要求。从近几年的相关厂企的研发单位发展来看,高素质的科研团队也正在迅速形成,将为我国离心压缩机的发展提供有力支持。

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