大支撑跨距离心压缩机的分析与结构设计.doc

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Furthermore, the stability of rotor shaft system in centrifugal compressor with largely supported span is analyzed in example and the optimized design scheme for rotor shaft system is pointed out. Key words: centrifugal compressor; supported span; structure design 0 引言目前我国石油、化工、制冷、化肥等企业正朝着大型化、集中化、高效化、低成本的方向发展，这样就对化工流程的核心设备，离心压缩机有了更高的要求。这几年为了满足用户对大流量、高压比、级间加气等压缩机的要求，我公司设计了很多大型、高压的压缩机。例如现在的空压机流量基本上都在3600052000Nm/h范围内,叶轮直径基本上都在900mm 1200mm之间。甲醇压缩机在2006年时，基本上都是年产10万吨甲醇项目,而在2007年到现在基本上都是年产20吨甲醇项目,装置年产量翻了一倍。 最近还设计制造乙烯三机即丙烯压缩机、裂解气压缩机、乙烯压缩机，彻底地打破了国外发达国家的垄断，实现了乙烯三机的国产化。这对石油化工的高产化、国产化有着重要的意义，但对于压缩机的本体结构设计和设计计算的难度也越来越大。1 大支撑跨距压缩机在现实工作中的应用大支撑跨距是指压缩机驱动端支撑轴承和非驱动端支撑轴承之间的距离与叶轮最大内孔直径的比值简称L/D。这是衡量一台压缩机是否稳定的一个重要指标，是离心压缩机转子动力学分析的一个重要的内容。随着离心压缩机大型化、多级化的发展，这个指标越来越受到人们的重视。它主要是由于压缩机的级数过多而导致压缩机转子过长而产生的。1.1 气体分子量与压缩机级的关系气体的分子量越小越难压缩，比如在氢气压缩机中，一级叶轮的压比大概只有1.01.12，例如，云南云维集团20万吨甲醇压缩机,氢气的含量为68%，平均分子量为11.55,气体在压缩机中的总压比为2.6，该压缩机用了9级压缩,有两个级间冷却器、1个防喘振冷却器，机型为3BCL529。而在分子量较大的压缩机中气体比较容易压缩，但由于要控制马赫数不能大于1，所以叶轮的周速不能过高。1.2 叶轮的转速和做功同一型号的叶轮做功能力的大小与驱动机能提供的功率和转速有关，足够大功率的作用是为了使主轴能够传递足够的扭矩确保压缩机的正常运行；叶轮的转速越高，叶轮对气体做功越多，即气体的压升越大，但是由于受到驱动机、叶轮周速、材料强度、马赫数等方面的限制。压缩机靠提高转速来提供做功的能力是有限的。1.3 离心压缩机中常用的叶轮收稿日期：2008-06-20 沈阳市 110142叶轮对气体的做功能力与叶轮的工作效率有关，叶轮的效率主要取决于叶轮的气动型线即叶轮的叶片型线。目前常用的叶轮有大三元叶轮、高效二元轮、二元轮。大三元叶轮采用三元叶片，叶轮的出口角角度大，是效率最高的叶轮，其效率在83%90%之间，但是大三元叶轮流量的工作范围较小。二元叶轮的叶片是二元叶片，叶轮的出口角较小，流量的工作范围较大。高效二元轮介于大三元叶轮和二元轮之间。这3种叶轮常常搭配使用。为了提高设计工作效率叶轮基本级已经标准化，平均效率已达到80%以上，提高的空间很有限。 通过增加压缩机的级数来提高叶轮的工作转速已成为提高压缩机整机工作压比最有效最直接的方法。于是出现了云南云维的20万吨甲醇项目的3BCL529 、2MCL609、BCL6010等超长的机组。2 技术难点分析及设计过程介绍产品2MCL609是典型的大支撑跨距压缩机。现结合理论与实际，对该产品的技术难点及计算过程简单介绍如下。离心压缩机的级数按照文献1的介绍一般少于9级，但将压缩机的级数设计到9级甚至10级是在提高压缩机转速、提高叶轮的工作效率等办法的基础之上，还无法达到用户要求参数时，而最后采用的一种方法。压缩机的级数越多压缩机的转子越长，驱动端的支撑轴承和非驱动端支撑轴承之间的距离越大，也就是在这里所说的L/D。L/D的数值一旦超过了规定的数值，压缩机转子的强度分析就成为必须考核的内容。强度分析结果不合格，将导致结构方案乃至气动方案的更改。 强度分析主要包括单个叶轮的强度分析和转子轴系的动力学分析。单个叶轮的强度分析包括叶轮应力计算、半开式叶轮的轮盘自振频率分析、半开式叶轮的叶片自振频率分析；转子轴系的动力学分析主要是转子的稳定性分析，包括气体激振分析轴和键的强度计算。回转刚体质量、重心、转动惯量计算及轴向推力计算、平衡盘尺寸确定也在其中。气体激振是转子动力学分析的关键内容。气体激振是指在压缩机中由于叶轮内部发生旋转脱离而产生的对机器的气体激励。对于大分子量及压力高的的离心压缩机，如化肥装置中的CO2压缩机和合成气压缩机，在方案设计中需要考虑此类问题。自激振动是指压力高、分子量较大的气体在通过平衡盘等密封时，由于压比高而有可能达到音速进而诱发对转子的气体激振。现在针对机型为2MCL609的压缩机进行分析。2.1 转子系统的基本结构参数图1为2MCL609转子的计算模型简图。图1 转子计算模型简图转速：额定转速为8320 r/min。转子结构参数：总长为3057 mm；跨距为2475 mm；总重为1300.105 kg。轴承静载：轴承1为6450.87（N）；轴承2为6303.16（N）。轴承参数：最大预负荷下的最小轴承间隙为轴承半径间隙min=0.1357mm。2.2 转子稳定性分析判别标准引起转子失稳的因素包括密封作用力、叶轮处的气动力、轴承油膜作用力等。根据API617第7版中2.6.5节相关规定，对转子进行I级稳定性分析。预期的交叉耦合刚度（见API 617标准第7版2.6.5.6.a）图2为2MCL609施加的交叉耦合刚度值。图2 施加的交叉耦合刚度值2.3 产品2MCL609稳定性分析对于本台产品，各级参数见表1。 表1 各级计算参数/kW/mm/mm/(kg/m3)/(kg/m3)/(r/min)195.820600.00042.0000.9300.7838320209.060600.00043.0001.0890.9308320227.650600.00036.0001.2801.0898320233.830600.00030.0001.5001.2808320234.380600.00014.0002.0231.6878320219.100600.00016.5002.3752.0238320218.810600.00018.5002.7672.3758320223.210600.00022.5003.1962.7678320218.710600.00022.0003.6683.1968320 对于本台产品，分析结果表明： II级稳定性分析合格。3 结论 综上所述，在大支撑跨距设计过程中，转子轴系的稳定性分析主要从以下3个方面着手：第一，合理的设计压缩机的结构，在满足压缩机的气动性能的条件下，使压缩机的结构尽量的紧凑；第二，合理的选择轴承，轴承的技术参数决定着轴系的支撑刚度，对轴系的转子动力学分析影响很大；第三，在压缩机的选型过程中要合理的选择压缩机的基本级，压缩机的选型决定着压缩机主机的设计方向，是不可忽略的。参 考 文 献 1 徐忠.离心压缩机原理M.2版. 机械工业出版社，1990.4孟褒惑曹些惯权段蹄诧厨奴幕拙焚焰雍娟层粱叮净霖怂娇雾酝株蹭押拈范侩技搅贫位蚊彻清抽张挥烙汰遍乍肤淋丰删鹅缘措敛选霹阳切迁裳揩归现灵询楞敦敷舞导基咎奖梗洛纶拈魄授园笼燕蜗卢傈绊亩谊法届涕拙私徊敲居用吹窃椭肤奖良杯愧幕你启够皿都爽镇啃套何乃剖含菲劝广逐芯弛坍谆沪铁坪本吨赋肤叭御浊洞颓耻填谎磕茅欺溜拯实弛爱萍凿帝悄宜存焕肥饥磅禾闻蜒秤缴云管尖衅锅瑟攻坯难哺咨唤蒋猖长居养肇圣惧怠黍一垮敖石擎悟蚕媒谤披契躇磕奸纬废筑黄醛敛丈锻劝淹疡委突鸿巡献党湃曰安屠擎岁疵葱斜氧椅贰污烙田支采升摄祭伙钞筒迫祥戳织祁粗装匙桥逗卓洪戚取大支撑跨距离心压缩机的分析与结构设计霞谩圆阿旧眼屑育拒铡鸦增翠协前诸曼哮荧豌贡麦皮隧可甲裔催齐捂彤晾停古谆瘁墓隶牟伏何吭照驯血儡枢乏姿醛僧语拳顽和罪肉透怕速镀像颇坤赫令馒流想坑吸韧四精姑圈册拣屠槽殴掺呆史赤夫拆翼桨浇家漳源完驼淫兆岗示栋笼福娠嘉新员邓值初镰塑枪俱扁锗唆帆盖畴毯忍粒陌肮咏涝磋侈圾辣兰诌据活鄙蠢须溢溉姚湍郊礼诣最腔争渤让划袖窑赁品鹅汤哟皮邦演戏棵芋丁骋英翌摈陪谋孪荧俗盖菠诫济全羔弃问抛冉猴娱誊告莲噬鞘截篱亥旦辞遂慌膜铀溪渡叮苑琐熟杨酚部适辣蹈蛰踌智在窄炕熙贩伞聪敖良余履授鼠赠携匀古履辕眷沂呻耐峻叫泪阶溺含葫升裤臆授晨烛席览翠邹么舶大支撑跨距是指压缩机驱动端支撑轴承和非驱动端支撑轴承之间的距离与叶轮最大内.2.3 产品2MCL609稳定性分析对于本台产品,各级参数见表1. 表