大支撐跨距離心壓縮機的分析與結構設計

tags: 壓縮 壓縮機    時間:2014-03-12 01:35:50
大支撐跨距離心壓縮機的分析與結構設計簡介
     摘要:介紹了我國大支撐跨距離心壓縮機在現實工作中的應用。對大支撐跨距離心壓縮機的設計技術難點進行分析。舉例對大支撐跨距離心壓縮機的轉子軸系進行穩……
大支撐跨距離心壓縮機的分析與結構設計正文
    

摘要:介紹了我國大支撐跨距離心壓縮機在現實工作中的應用。對大支撐跨距離心壓縮機的設計技術難點進行分析。舉例對大支撐跨距離心壓縮機的轉子軸系進行穩定性分析,並提出對轉子軸系進行優化的設計方案。

關鍵詞:離心式壓縮機;支撐跨距;結構設計

中圖分類號:TH452文獻標識碼:B

TheAnalysisandStructureDesignforCentrifugalCompressorwithLargelySupportedSpan

Abstract:Thispaperhasanalyzedthedesignandtechnicaldifficultiesofcentrifugalcompressorwithlargelysupportedspananditsapplicationinrealisticjob.Furthermore,thestabilityofrotorshaftsystemincentrifugalcompressorwithlargelysupportedspanisanalyzedinexampleandtheoptimizeddesignschemeforrotorshaftsystemispointedout.

Keywords:centrifugalcompressor;supportedspan;structuredesign

0引言

目前我國石油、化工、製冷、化肥等企業正朝著大型化、集中化、高效化、低成本的方向發展,這樣就對化工流程的核心設備,離心壓縮機有了更高的要求。這幾年為了滿足用戶對大流量、高壓比、級間加氣等壓縮機的要求,我公司設計了很多大型、高壓的壓縮機。例如現在的空壓機流量基本上都在36000~52000Nm³/h範圍內,葉輪直徑基本上都在900mm~1200mm之間。甲醇壓縮機在2006年時,基本上都是年產10萬噸甲醇項目,而在2007年到現在基本上都是年產20噸甲醇項目,裝置年產量翻了一倍。最近還設計製造乙烯三機即丙烯壓縮機、裂解氣壓縮機、乙烯壓縮機,徹底地打破了國外發達國家的壟斷,實現了乙烯三機的國產化。這對石油化工的高產化、國產化有著重要的意義,但對於壓縮機的本體結構設計和設計計算的難度也越來越大。

1大支撐跨距壓縮機在現實工作中的應用

大支撐跨距是指壓縮機驅動端支撐軸承和非驅動端支撐軸承之間的距離與葉輪最大內孔直徑的比值簡稱L/D。這是衡量一台壓縮機是否穩定的一個重要指標,是離心壓縮機轉子動力學分析的一個重要的內容。隨著離心壓縮機大型化、多級化的發展,這個指標越來越受到人們的重視。它主要是由於壓縮機的級數過多而導致壓縮機轉子過長而產生的。

1.1氣體分子量與壓縮機級的關係

氣體的分子量越小越難壓縮,比如在氫氣壓縮機中,一級葉輪的壓比大概只有1.0~1.12,例如,雲南雲維集團20萬噸甲醇壓縮機,氫氣的含量為68%,平均分子量為11.55,氣體在壓縮機中的總壓比為2.6,該壓縮機用了9級壓縮,有兩個級間冷卻器、1個防喘振冷卻器,機型為3BCL529。而在分子量較大的壓縮機中氣體比較容易壓縮,但由於要控制馬赫數不能大於1,所以葉輪的周速不能過高。

1.2葉輪的轉速和做功

同一型號的葉輪做功能力的大小與驅動機能提供的功率和轉速有關,足夠大功率的作用是為了使主軸能夠傳遞足夠的扭矩確保壓縮機的正常運行;葉輪的轉速越高,葉輪對氣體做功越多,即氣體的壓升越大,但是由於受到驅動機、葉輪周速、材料強度、馬赫數等方面的限制。壓縮機靠提高轉速來提供做功的能力是有限的。

1.3離心壓縮機中常用的葉輪

葉輪對氣體的做功能力與葉輪的工作效率有關,葉輪的效率主要取決於葉輪的氣動型線即葉輪的葉片型線。目前常用的葉輪有大三元葉輪、高效二元輪、二元輪。大三元葉輪採用三元葉片,葉輪的出口角角度大,是效率最高的葉輪,其效率在83%~90%之間,但是大三元葉輪流量的工作範圍較小。二元葉輪的葉片是二元葉片,葉輪的出口角較小,流量的工作範圍較大。高效二元輪介於大三元葉輪和二元輪之間。這3種葉輪常常搭配使用。為了提高設計工作效率葉輪基本級已經標準化,平均效率已達到80%以上,提高的空間很有限。

通過增加壓縮機的級數來提高葉輪的工作轉速已成為提高壓縮機整機工作壓比最有效最直接的方法。於是出現了雲南雲維的20萬噸甲醇項目的3BCL529、2MCL609、BCL6010等超長的機組。

2技術難點分析及設計過程介紹

產品2MCL609是典型的大支撐跨距壓縮機。現結合理論與實際,對該產品的技術難點及計算過程簡單介紹如下。

離心壓縮機的級數按照文獻[1]的介紹一般少於9級,但將壓縮機的級數設計到9級甚至10級是在提高壓縮機轉速、提高葉輪的工作效率等辦法的基礎之上,還無法達到用戶要求參數時,而最後採用的一種方法。壓縮機的級數越多壓縮機的轉子越長,驅動端的支撐軸承和非驅動端支撐軸承之間的距離越大,也就是在這裡所說的L/D。L/D的數值一旦超過了規定的數值,壓縮機轉子的強度分析就成為必須考核的內容。強度分析結果不合格,將導致結構方案乃至氣動方案的更改。

強度分析主要包括單個葉輪的強度分析和轉子軸系的動力學分析。單個葉輪的強度分析包括葉輪應力計算、半開式葉輪的輪盤自振頻率分析、半開式葉輪的葉片自振頻率分析;轉子軸系的動力學分析主要是轉子的穩定性分析,包括氣體激振分析軸和鍵的強度計算。迴轉剛體質量、重心、轉動慣量計算及軸向推力計算、平衡盤尺寸確定也在其中。

氣體激振是轉子動力學分析的關鍵內容。氣體激振是指在壓縮機中由於葉輪內部發生旋轉脫離而產生的對機器的氣體激勵。對於大分子量及壓力高的的離心壓縮機,如化肥裝置中的CO2壓縮機和合成氣壓縮機,在方案設計中需要考慮此類問題。自激振動是指壓力高、分子量較大的氣體在通過平衡盤等密封時,由於壓比高而有可能達到音速進而誘發對轉子的氣體激振。

現在針對機型為2MCL609的壓縮機進行分析。

2.1轉子系統的基本結構參數

圖1為2MCL609轉子的計算模型簡圖。

圖1為2MCL609轉子的計算模型簡圖

轉速:額定轉速為8320r/min。

轉子結構參數:總長為3057mm;跨距為2475mm;總重為1300.105kg。

軸承靜載:軸承1為6450.87(N);軸承2為6303.16(N)。

軸承參數:最大預負荷下的最小軸承間隙為軸承半徑間隙min=0.1357mm。

2.2轉子穩定性分析判別標準

引起轉子失穩的因素包括密封作用力、葉輪處的氣動力、軸承油膜作用力等。根據API617第7版中2.6.5節相關規定,對轉子進行I級穩定性分析。

預期的交叉耦合剛度(見API617標準第7版2.6.5.6.a)

見API617標準第7版2.6.5.6.

2.3產品2MCL609穩定性分析

對於本台產品,各級參數見表1。

表1各級計算參數

表1各級計算參數

對於本台產品,分析結果表明:II級穩定性分析合格。

3結論

綜上所述,在大支撐跨距設計過程中,轉子軸系的穩定性分析主要從以下3個方面著手:第一,合理的設計壓縮機的結構,在滿足壓縮機的氣動性能的條件下,使壓縮機的結構盡量的緊湊;第二,合理的選擇軸承,軸承的技術參數決定著軸系的支撐剛度,對軸系的轉子動力學分析影響很大;第三,在壓縮機的選型過程中要合理的選擇壓縮機的基本級,壓縮機的選型決定著壓縮機主機的設計方向,是不可忽略的。

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