|
3 齒輪組裝式離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu) 齒輪組裝式離心壓縮機(jī)是在單軸離心壓縮機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展的另外一種基本結(jié)構(gòu)形式。在單軸離心壓縮機(jī)的具體應(yīng)用過程中，制造商發(fā)現(xiàn)了很多可以改進(jìn)的地方： ?。?）在電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況下，單軸離心壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般都要高于電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要增加齒輪增速機(jī)來匹配轉(zhuǎn)速。 ?。?）在多級(jí)壓縮時(shí)，由于容積氣量隨著氣體壓力的提高變小，而各級(jí)又須保持同一轉(zhuǎn)速，這就導(dǎo)致了后面各壓縮級(jí)流量系數(shù)較小，無法采用大流量系數(shù)的高效三元葉輪壓縮，影響了整臺(tái)壓縮機(jī)效率。因此相關(guān)科研人員開始致力于多軸離心壓縮機(jī)與增速齒輪一體化設(shè)計(jì)的工作。 1948 年，德馬格（現(xiàn)并入西門子）技術(shù)總監(jiān)奧托· 斯科爾博士采用多個(gè)單級(jí)懸臂離心壓縮機(jī)與增速齒輪一體化設(shè)計(jì)，開發(fā)了首臺(tái)齒輪組裝式離心壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)用于空氣壓縮，進(jìn)氣量為9 000 m3/h，排氣壓力為0.7 MPa（圖26）。后來盡管德馬格申請(qǐng)了專利，同期還有JOY（現(xiàn)并入卡麥?。⒌吕撸ìF(xiàn)并入西門子）、日立、波西格（現(xiàn)并入曼透）等公司也先后推出了可規(guī)避德馬格專利的組裝式壓縮機(jī)。  齒輪組裝式離心壓縮機(jī)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，一般可以分為應(yīng)用于空氣、氮?dú)獾纫话銡怏w的普通齒輪組裝式離心壓縮機(jī)和應(yīng)用于易燃易爆、有毒、腐蝕性等氣體下的工藝氣齒輪組裝式離心壓縮機(jī)。其和單軸壓縮機(jī)相比，在提高壓縮機(jī)氣動(dòng)性能方面有以下優(yōu)勢(shì)： （1）壓縮機(jī)可實(shí)現(xiàn)多轉(zhuǎn)速，葉輪可選擇最佳轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)。 ?。?）每級(jí)葉輪可實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)氣，有利于提高葉輪效率。 ?。?）氣體經(jīng)每級(jí)壓縮后都可以冷卻，通過壓縮過程的變化來降低壓縮機(jī)能耗。 （4）每一級(jí)都可以采用半開式葉輪，通過較高葉輪周速來提升單級(jí)壓比。 ?。?）方便配置進(jìn)口導(dǎo)葉，為固定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的性能調(diào)節(jié)提供有利條件。 3.1 普通齒輪組裝式壓縮機(jī) 由于齒輪組裝式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)良特性，使其廣泛應(yīng)用于空氣、氮?dú)獾纫话銡怏w壓縮裝置中。目前，空氣、氮?dú)獾纫话銡怏w壓縮機(jī)，越來越多地采用的形式是齒輪組裝式結(jié)構(gòu)。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，各制造商對(duì)齒輪組裝式壓縮機(jī)不斷進(jìn)行系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化工作，逐漸形成了不同的標(biāo)準(zhǔn)系列的齒輪組裝式壓縮機(jī)，使安裝使用維護(hù)更加方便，交貨期更短。 齒輪組裝式壓縮機(jī)多采用大齒輪軸直連驅(qū)動(dòng)（動(dòng)力源一般采用電動(dòng)機(jī)），高速齒輪軸一般為1~3 個(gè)，壓縮級(jí)為1~6 個(gè)，壓比為1.2~60。如圖27 為沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司近期開發(fā)的齒輪組裝式壓縮機(jī)。圖28 為該公司開發(fā)的另一種三級(jí)齒輪組裝式離心壓縮機(jī)機(jī)組。  齒輪組裝式壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有如下特點(diǎn)： （1）軸端氣封布置在壓縮級(jí)懸臂蝸殼內(nèi)，防止了壓縮機(jī)氣流被潤(rùn)滑油污染的可能性。一般采用非接觸式的迷宮式氣封或碳環(huán)密封。 （2）齒輪箱采用水平剖分形式，便于檢修內(nèi)部零部件。 （3）葉輪采用熱裝、三角軸或端面齒等結(jié)構(gòu)， 安裝在高速軸上并由鎖定螺母固定，嚴(yán)格的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)可保證最低的振動(dòng)值。 ?。?） 齒輪軸一般采用高速、精密、單螺旋齒型，按AGMA 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 （5） 低速軸齒輪及高速齒輪軸采用合金鋼鍛造，通過高質(zhì)量的精密齒輪來保證高效傳動(dòng)和較低的噪聲。 ?。?）各壓縮級(jí)均懸臂布置，方便采用進(jìn)口導(dǎo)葉和擴(kuò)壓器葉片可調(diào)結(jié)構(gòu)，改善大壓比葉輪級(jí)的變工況性能，拓寬壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍。 3.2 工業(yè)流程齒輪組裝式壓縮機(jī) 在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，人們普遍認(rèn)為齒輪組裝式壓縮機(jī)只能用于空氣、氮?dú)獾劝踩珰怏w壓縮場(chǎng)合。但是鑒于齒輪組裝式壓縮機(jī)與單軸壓縮機(jī)相比存在多方面的優(yōu)勢(shì)，各壓縮機(jī)制造商數(shù)十年來一直沒有停止對(duì)齒輪組裝式壓縮機(jī)的技術(shù)完善。目前，齒輪組裝式壓縮機(jī)已經(jīng)開始應(yīng)用于各種工藝氣體壓縮場(chǎng)合，包括有毒的、易燃易爆的、腐蝕性強(qiáng)的氣體，如：一氧化碳、二氧化碳、合成氣、氧氣、天然氣、氫氣、乙烯、氯氣等。1965 年德馬格（現(xiàn)西門子）首次在齒輪組裝式壓縮機(jī)中應(yīng)用了干氣密封，以避免易燃易爆、有毒氣體泄漏[4]。自此開始，齒輪組裝式壓縮機(jī) 的開發(fā)研究工作不斷取得突破。 隨著工藝流程的進(jìn)一步發(fā)展和壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)一步提高，1995 年，曼透平公司開發(fā)了世界首臺(tái)套10 級(jí)齒輪組裝式壓縮機(jī)，應(yīng)用于俄羅斯一家化肥廠，用于尿素裝置二氧化碳?xì)庠鰤?。該壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力0.1 MPa，排氣壓力20 MPa，整機(jī)功率4.6×104 kW，末級(jí)高速齒輪軸轉(zhuǎn)速高達(dá)50 000 r/min。為了防止二氧化碳?xì)馔饴?，采用了碳環(huán)密封。 在此后的不長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，西門子也研制出了10 級(jí)齒輪組裝式壓縮機(jī)應(yīng)用于高壓比的場(chǎng)合（圖29）。其最高壓比可以達(dá)到200，整機(jī)功率達(dá)到34 000 kW [8]。 日本神戶制鋼制造的8 MPa 齒輪組裝式離心壓縮機(jī)（如圖30 所示），其機(jī)殼采用鑄鋼制造，和該壓縮機(jī)一樣，在高壓齒輪組裝式壓縮機(jī)中，其機(jī)殼多采用鑄鋼制造，特殊氣體條件下采用不銹鋼鑄造。蝸殼的結(jié)構(gòu)形式參照筒形壓縮機(jī)機(jī)殼形式，保證了較高的應(yīng)用壓力。 隨著工作氣量和壓比的不斷增大，齒輪組裝式壓縮機(jī)的功率越來越大，驅(qū)動(dòng)機(jī)采用汽輪機(jī)往往成為多數(shù)用戶的選擇。而由于汽輪機(jī)輸入轉(zhuǎn)速一般都高于齒輪組裝式壓縮機(jī)的大齒輪軸轉(zhuǎn)速，往往需要增加一臺(tái)減速機(jī)進(jìn)行減速。為了進(jìn)一步整合機(jī)組，保持齒輪組裝式壓縮機(jī)組的緊湊性，一些壓縮機(jī)制造商與齒箱制造商合作推出了集成汽輪機(jī)輸入齒輪軸的齒輪組裝式壓縮機(jī)，如圖31 為德國(guó)曼透平公司制造的汽輪機(jī)輸入齒輪軸的齒輪組裝式離心壓縮機(jī)。  在工藝氣齒輪組裝式壓縮機(jī)中，應(yīng)用較多的主要是二氧化碳?xì)鈮嚎s機(jī)、氧氣壓縮機(jī)、燃料氣壓縮機(jī)等。在二氧化碳?xì)夤に噳嚎s應(yīng)用中，由于氣體分子量較大，各級(jí)壓比相對(duì)較高，容積流量逐級(jí)減小非常明顯，采用同一轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)葉輪級(jí)非常困難。因此，可以方便地通過不同的齒輪軸設(shè)計(jì)來改變各壓縮級(jí)轉(zhuǎn)速的齒輪組裝式壓縮機(jī)，與采用同一轉(zhuǎn)速的單軸壓縮機(jī)相比，整機(jī)效率通常有較大提高。對(duì)于此類壓縮機(jī)密封設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮。隨著各國(guó)對(duì)節(jié)能問題的重視，齒輪組裝式二氧化碳?xì)鈮嚎s機(jī)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)配置的主流。曼透平、西門子等壓縮機(jī)制造商針對(duì)二氧 化碳?xì)鈮嚎s流程均大量采用齒輪組裝式壓縮機(jī)配置方案。如圖32 所示為德國(guó)曼透平公司為某公司研制的CO2 壓縮機(jī)。  在氧氣的工藝壓縮應(yīng)用中，一般要保證氧氣的純度，不允許外界氣體內(nèi)漏至壓縮機(jī)中。同時(shí)由于氧氣是一種強(qiáng)助燃?xì)怏w，泄漏至外界容易引起爆炸，因此氧氣壓縮機(jī)的密封通常需要特殊考慮。在齒輪組裝式壓縮機(jī)中，半開式葉輪的采用往往是提高單級(jí)壓比，減少整機(jī)壓縮級(jí)數(shù)，保證整體結(jié)構(gòu)緊湊性的有效手段。但是半開式葉輪級(jí)中葉輪與型環(huán)的碰磨便成了影響其安全性的關(guān)鍵因素。在如圖33 所示，西門子用于氧氣壓縮的齒輪組裝式壓縮機(jī)中，采用半開式葉輪與青銅材質(zhì)的型環(huán)相配，來避免意外情況下葉輪與型環(huán)碰磨打火造成氧壓機(jī)燃燒[10]。  在齒輪組裝式壓縮機(jī)中，通過增加齒輪軸，不僅可以增加壓縮級(jí)來提高壓比，還可以實(shí)現(xiàn)同一臺(tái)齒輪組裝式壓縮機(jī)應(yīng)用滿足多種氣體分別壓縮功能。例如，可以把一臺(tái)四級(jí)壓縮和一臺(tái)兩級(jí)壓縮合二為一，也可以把一臺(tái)四級(jí)壓縮和兩臺(tái)單級(jí)壓縮合三為一[8]。如圖34 為美國(guó)曼透平公司于2003 年為本溪某企業(yè)研制的2 萬空分裝置。該機(jī)組為可同時(shí)滿足空分設(shè)備配套的原料空氣壓縮機(jī)（介質(zhì)為大氣空氣）和增壓機(jī)（介質(zhì)為干空氣）功能的組合式壓縮機(jī)。下面一層為主風(fēng)機(jī)，上面一層為增壓機(jī)，壓比分別為6 和10。如圖35 為卡麥隆公司研制的空氣氮?dú)饨M合式雙齒箱壓 縮機(jī)。  4 原動(dòng)機(jī)和離心壓縮機(jī)組合結(jié)構(gòu) 前面所述壓縮機(jī)組合結(jié)構(gòu)是輸送不同氣體壓縮機(jī)的組合；或者是壓縮機(jī)不同形式的組合。近年來，壓縮機(jī)制造商們正在積極探索把壓縮機(jī)和原動(dòng)機(jī)組合在一起，不僅可以縮小占地面積，還可以省略軸端密封系統(tǒng)，減少壓縮機(jī)日常維護(hù)工作量。 4.1 膨脹機(jī)和壓縮機(jī)組合 透平膨脹組合式壓縮機(jī)一般來說可以分為兩種：一種是以透平膨脹機(jī)為主，壓縮機(jī)僅作為膨脹機(jī)的制動(dòng)機(jī)；另外一種是以壓縮機(jī)為主，膨脹機(jī)僅作為能量回收后的輔助驅(qū)動(dòng)機(jī)。 對(duì)于前者來說，通常是一級(jí)膨脹級(jí)加一級(jí)壓縮級(jí)來完成，膨脹級(jí)與壓縮級(jí)懸臂布置在主軸的兩端，不再連接其他轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，結(jié)構(gòu)非常緊湊。其懸臂布置的結(jié)構(gòu)與單級(jí)懸臂離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)相類似。通常該機(jī)組以膨脹機(jī)滿足工藝性能要求為主，壓縮機(jī)作為輔助制動(dòng)設(shè)備，其工藝性能隨著膨脹機(jī)功能的變化而變化。隨著磁力軸承技術(shù)的成熟，該類型的機(jī)組采用磁力軸承可以取消潤(rùn)滑油系統(tǒng)，減少日常維護(hù)的費(fèi)用。 如圖36 所示為美國(guó)GE 公司開發(fā)的單軸透平膨脹壓機(jī)，即采用該結(jié)構(gòu)。  4.2 復(fù)合組裝式壓縮機(jī) 在組合齒輪組裝式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)思路上再進(jìn)一步，就是把能充分利用工藝尾氣進(jìn)行能量回收的尾氣透平與壓縮機(jī)整合為一體。這對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的節(jié)能環(huán)保有著非常重要的實(shí)際意義。目前，曼透平、西門子、阿特拉斯、三菱重工等很多的壓縮機(jī)制造商都有此類設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品，如圖38 所示為阿特拉斯研制的三級(jí)壓縮機(jī)和一級(jí)膨脹機(jī)組合的壓縮機(jī)機(jī)組。  4.3 電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)組合 隨著高速電動(dòng)機(jī)、變頻器和磁力軸承技術(shù)的發(fā)展，采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單軸壓縮機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段。特別是將高速電機(jī)與單軸壓縮機(jī)合二為一，同時(shí)采用磁力軸承的配置使得機(jī)組獲得系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊和減少維護(hù)工作的優(yōu)勢(shì)。目前曼透平、西門子、GE 等國(guó)際壓縮機(jī)制造商均推出了相關(guān)機(jī)型。該類型壓縮機(jī)有著非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊， 組部件少；封閉式罐裝設(shè)計(jì)，減去了干氣密封系統(tǒng)，杜絕了工作氣體泄漏的可能；一體化設(shè)計(jì)，徹底杜絕了傳動(dòng)聯(lián)接的安全隱患；可立式布置，有效減少了占地面積；可變轉(zhuǎn)速高速電機(jī)的應(yīng)用有效降低了齒輪傳動(dòng)損失，并提高了穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)范圍；磁力軸承的應(yīng)用確保了無油化的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單；便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可以用于惡劣環(huán)境中。如圖39 和圖 40 分別為西門子和曼透平公司開發(fā)的高速電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)組合機(jī)型。   5 討論與分析 從前面的對(duì)離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式的歸納與總結(jié)來看，三大類離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)遞進(jìn)的發(fā)展過程，離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，又由復(fù)雜到集成的發(fā)展過程。出于結(jié)構(gòu)緊湊及土建成本考慮，盡管目前還有一些缺點(diǎn)需要克服，內(nèi)冷式等溫離心壓縮機(jī)將是一個(gè)重要的發(fā)展方向；由于能大大降低能耗，在一些領(lǐng)域組裝式壓縮機(jī)也將逐漸替代普通單軸的結(jié)構(gòu)；另外，離心壓縮機(jī)的集成化、撬裝化和免維護(hù)方向也將取得重大的進(jìn)展。盡管國(guó)內(nèi)在各類功能離心壓縮機(jī)領(lǐng)域均有相應(yīng) 的產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)的壓縮機(jī)制造商研發(fā)的離心壓縮機(jī)還存在結(jié)構(gòu)單一、集成度不夠等一些特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)離心壓縮機(jī)的發(fā)展還有很大的空間，也需要投入更多的人力和財(cái)力來促進(jìn)我國(guó)離心壓縮機(jī)的多樣化發(fā)展。 另外，隨著需求的發(fā)展與技術(shù)的突破，終將出現(xiàn)更為先進(jìn)復(fù)雜的離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，這也對(duì)我國(guó)的離心壓縮機(jī)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出更高的要求。從近幾年的相關(guān)廠企的研發(fā)單位發(fā)展來看，高素質(zhì)的科研團(tuán)隊(duì)也正在迅速 形成，將為我國(guó)離心壓縮機(jī)的發(fā)展提供有力支持。  |
|
|
