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　　工业技术 58 2016 年 8 月 04 谈整体齿轮组装式离心压缩机设计 王 帅 邴晓师 沈阳鼓风机集团齿轮压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110869 摘要：随着压缩机设计和制造技术的不断提高，它的应用范围也会越来越宽。与一般的单轴多级离心压缩机不同，组装式离心压缩机采用多轴型式，该压缩机每级通常由半开式叶轮、叶片扩压器和蜗壳组成。组装式压缩机的特点是周速高、压比大，依靠叶片扩压器与蜗壳将叶轮出口的动能转化为压力能，叶片扩压器与离心叶轮的匹配优劣直接影响离心压缩机的性能。本文基于整体齿轮组装式离心压缩机的设计进行分析。 关键词：整体齿轮；组装式离心压...

　　工业技术 58 2016 年 8 月 04 谈整体齿轮组装式离心压缩机设计 王 帅 邴晓师 沈阳鼓风机集团齿轮压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110869 摘要：随着压缩机设计和制造技术的不断提高，它的应用范围也会越来越宽。与一般的单轴多级离心压缩机不同，组装式离心压缩机采用多轴型式，该压缩机每级通常由半开式叶轮、叶片扩压器和蜗壳组成。组装式压缩机的特点是周速高、压比大，依靠叶片扩压器与蜗壳将叶轮出口的动能转化为压力能，叶片扩压器与离心叶轮的匹配优劣直接影响离心压缩机的性能。本文基于整体齿轮组装式离心压缩机的设计进行分析。 关键词：整体齿轮；组装式离心压缩机；设计 中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2016)08-0058-01 1 导言 目前，国内组装式离心压缩机的专业制造企业已掌握了多项世界先进的关键技术，并已有数百台的运行业绩，取代了大量的进口压缩机。近年来，随着冶金、煤化工等行业的快速发展，与之配套的空分装置规模也不断扩大，齿轮组装式离心压缩机以其高效节能、性能调节范围宽、结构紧凑等优点，在中、大型空分装置中逐渐替代传统的单轴型离心压缩机而得到广泛的应用。 2 组装式压缩机的关键技术 2.1 高性能的模型级 基本级是压缩机的核心部分,也是压缩机设计的关键技术,基本级性能的高低直接影响压缩机的整机效率｡组装式压缩机适用的模型级以高压小流量为主,为了提高压比叶轮转速很高,气流速度接近甚至超过音速,而且流量小,流道中的摩擦损失大,流动情况复杂,需用三维粘性分析技术进行流场的模拟分析｡这类跨音速的高压小流量模型级研究的难度较大｡ 2.2 可靠的强度分析和振动分析 组装式离心压缩机是一种高速旋转的动力机械设备,目前我国生产的压缩机转速已经达到近 50000r/min，叶轮圆周速度最高的已超过 450m/s。叶轮计算包括在离心力作用下叶轮的强度计算、叶轮在高速旋转状态下叶片的位移量、叶轮孔与轴之间的过盈量及松动转速计算等｡转子振动分析计算包括各个转子的一阶、二阶、甚至三阶临界转速计算、转子的不平衡响应计算、轴系的振动分析等｡ 3 蜗壳型线 蜗壳的结构 蜗壳是组装式离心压缩机的关键部件，作用是将叶轮或扩压器出口的气体动压转变为静压。蜗壳的设计直接影响压缩机级效率，蜗壳的横截面形状有圆形、椭圆形、梯形、梨形和矩形结构。试验表明：蜗壳截面形状对流动性能的好坏影响不大，不同截面形状的蜗室内部的流动特性差别可通过数值计算或试验进行比较，采用何种截面主要根据结构和制造上的方便来确定。 3.2 蜗壳各截面几何尺寸的计算 压缩机蜗壳包括两部分：蜗室和排气室。蜗壳的结构设计是根据压缩机级的进、出口法兰处气体流速决定的，不同的介质组分、气体压力对法兰处的最大气体流速要求不同。蜗室中不同截面处气体的容积流量是不同的，在蜗室任意截面处，气体的容积流量与位置角成正比： 式中，q vin 为蜗壳进口处流量。 为保证蜗室型线内的气体能自由流动，在不考虑黏性的情况下，气体在蜗壳内的流动遵循动量矩不变定律： 蜗室型线的设计方法主要有两种：一种是蜗室型线按照气体自由流动的轨迹来设计，即动量矩不变定律（不考虑流体黏性产生的摩擦影响）；另一种是按照蜗室内各截面气体平均速度 cm 的变化规律，再通过流量计算出截面积的大小来确定蜗室型线尺寸。排气室的结构是近似锥形的扩张通道，为减少排气室中边界层分离产生的能量损失，通常要求角不宜过大，避免截面面积突然变化，一般取 8~15，截面面积 S0(0.3~0.5)SA。 4 气动方案设计 组装式离心压缩机具有很多优点，但其设计和制造相对复杂，对于整体齿轮组装式离心压缩机来说，典型的小流量、高压比，压比高达 25.5，选取高性能的叶轮模型基本级至关重要，它是压缩机核心部分，也是压缩机设计的关键技术，并且各级之间的匹配也直接影响压缩机的整机效率。 5 叶轮装配形式的确定 组装式压缩机中叶轮可重复拆装的装配形式有端齿式、三角轴、油沟液压式、立键过盈。由于加工设备的限制，端齿式、三角轴的加工有一定的难度，无法普及推广。立键过盈的装配形式从实践中看，需要保证的叶轮与轴锥度过盈值较大，装配起来很吃力并且容易使轴弯曲，最后采用油沟液压式装配方式，此装配方式工艺性可靠，装拆方便、易操作等特点。从试车情况看，效果较好。 6 形环间隙的控制 对于小流量、高压比机组来说，半开式叶轮与形环之间的间隙大小将直接影响机组的性能或稳定性。形环间隙过大，旋转件内的气体内泄漏量就大，将影响机组的排气量及增加机组的功耗；形环间隙过小，有可能引起叶轮与形环间的刮碰，导致转子的动平衡破坏，影响机组的稳定性｡所以，在确定形环间隙时，充分考虑了机组在工作状态下，叶轮旋转引起的叶片变形，转子在高温下的变形，轴承间隙以及安装间隙等多种因素，使之合理可靠｡ 7 可靠的强度分析和转子振动分析 机组的 3、4 级转子工作转速已经达到 45733r/min，3级叶轮圆周速度 443m/s，在这种情况下，叶轮的强度校核和机组的振动分析显得格外重要｡利用 ANSYS 软件对叶轮进行分析，包括在离心作用力下叶轮强度计算，高速运转时的叶片位移量、叶轮内孔变形，确定叶轮与轴之间的过盈值为 2.5｡小流量、高压比组装式压缩机组决定了其转子(尤其是高速转子)的结构特点，柔性很大，对转子的稳定性和装配影响很大｡为了尽可能增加转子的刚性，在满足结构设计的前提下，采取如下措施：增加高速转子轴径为准 42；尽可能缩短转子外悬臂端长度；缩短轴承的支撑跨距为 280mm。 8 结论 组装式离心压缩机具有许多优点,但目前由于技术原因尚不能适用于所有的场合,随着压缩机设计和制造技术的不断提高,它的应用范围也会越来越宽。我国组装式离心压缩机虽然起步较晚,并且到目前为止最高只能达到 4 级压缩,不仅在国内市场占有一席之地,而且少量产品出口到国外。以上对整体齿轮组装式离心压缩机设计研究，从而，促进了整体齿轮组装式离心压缩机的发展。 参考文献 [1]郝开元,王维民.基于 CFD 的离心压缩机整级性能优化设计[J].风机技术,2012（21）:10 [2]曹小建,曹萍.浅析整体齿轮式离心压缩机设计[J].风机技术,2014（22）:10    360 /  vin vq q常数    r r C Cu ur/4 4

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