单级悬臂式压缩机组转子轴向推力的优化设计
2013年12月05 06:33:00 来源：中国制冷网
摘要：针对入口压力高于大气压力较多的单级组装式离心压缩机轴向气动残余推力过大的问题进行转子结构优化设计，简述了平衡盘结构减小转子残余气动推力的原理及计算方法，以特定机型为例，对转子结构优化前后转子残余推力的数值进行解算。
关键词：悬臂式压缩机 转子推力 结构设计
一、前言
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。就现阶段煤化工装置中的催化剂再生单元循环气压缩机及空分装置中的部分空气及氮气增压机组均采用单级悬臂式压缩机的设计，此类机组的特点如下。
1）机组入口压力较高，一般在0.5～1.5MPa之间。
2）机组压比一般在1.9～2.4左右，往往采用单级半开式压缩。
3）机组入口流量大。
4）机组组分相对简单，以安全无毒介质为主。
对于进口为常压的组装式压缩机机组，由于其进口压力低，单级压差小等特点，轴向推力对齿轮、轴承设计的影响不是很明显，但对于入口为高压的单级组装式离心压缩机，轴向推力的问题变得十分重要。首先，由于其进口压力高，单级压比大，所以其单级压差很大；第二，由于其质量流量偏大，导致叶轮直径偏大，所以差压面积很大。因此其计算轴向推力数据的大小，对压缩机的结构设计方案确定有着至关重要的作用。轴向推力的大小直接影响是传动部分的主要设计参数，直接影响机组的稳定运转，同时，其大小及方向对机组的转定子间隙设计影响重大，关系到机组性能能否达到预期要求。
沈阳鼓风机集团股份有限公司为某大型煤化工用户MTG装置中再生气压缩机（机型：SV12-M）的设计过程中，通过优化压缩机转子结构，大大减小了残余气动轴向推力，使得齿轮，轴承的设计难度大大的下降。下面以该机组为例，对优化后的转子结构在使用机组入口为高压的单级组装式压缩机组中平衡轴向推力方面的作用进行分析。
二、再生气压缩机
1.压缩机设计参数
该压缩机设计参数见下表。
压缩机设计参数表
2.结构图
压缩机高速转子结构图如图1所示。
压缩机高速转子结构
图1 压缩机高速转子结构
三、平衡盘调节轴向推力的原理
1.轴向推力计算
压缩机转子轴向推力如图2所示，大气压力为P0，压缩机进口压力为P1，出口压力为P2。轴向推力计算公式如下。
图2 轴向推力示意图
F0=πD12P1/4+GC0 （1）
F1=π(D22-D12)P1/4+8π(D24/64-D14/196-D23D1/24-D22D12/32)(P2-P1)/(D2-D1)2 (2)
F2=π(D22-dm2)P2/4-πρmμ22[(D22-dm2)-(D24-dm4)/2D22]/32 (3)
F3=π(dp2-dm2)(P2-P0)/4 (4)
F4=πdp2P0/4 (5)
F=F0+F1-F2+F3-F4 (6)
由于压力P0、P1、P2是设计参数限定而无法改变，而尺寸D2、D1、dm是由叶轮选型结果限定同样很难调节，根据以上公式可知气动力F0、F1、F2、F4也因以上参数的固定而无法改变，只有平衡盘外径dp在碳环密封的内孔线速度允许值内可自由调整，所以气动力F只能通过调整dp的大小以改变气动力F3的大小来改变，以上即为平衡盘调节轴向推力的原理。
2.压缩机组转子优化
（1）优化前（无转子平衡盘） 优化前转子结构如图3所示，气 动 力F=F0+F1-F2 +F3-F4=2773kgf（1kgf=9.8N）。按照此推力数据，考虑到推力轴承设计使用准则中的推力负荷不超过轴承所允许负荷50%的要求，受限于机组结构，在不能无限制加大推力轴承尺寸的情况下，转子设计需要依靠齿轮的啮合推力抵消相应推力，以保证机组安全运转进行齿轮传动设计，得出齿轮螺旋角需要达到25°才可以保证转子系统的稳定，但在公司齿轮设计准则中，考虑高速轻载齿轮传动的安全性，规定的单斜齿齿轮中螺旋角一般不超过18°，如果采用该方案，压缩机转子设计存在很大的风险，即使通过放大安全系数的方法完成转子的设计及制造，在机组实际运转过程中也可能出现传动部分故障，机组运行存在隐患。
图3 未优化转子结构
（2）转子结构优化后 优化后转子结构如图4所示，气 动 力F=F0+F1-F2+F3-F4=1602kgf。在此推力下，齿轮的选型结果是螺旋角14°，在我公司常规齿轮设计范围内，且在该条件下，推力轴承的尺寸也小于加装平衡盘前。在加装平衡盘后，使得齿轮和轴承的设计风险大大下降，改善了转子的工作稳定性，保证了机组稳定运行，同时机组的功率损失和耗油量也有明显的减小。
但考虑在全压开车工况时，由于此时P2=P1，从图2可知，加装平衡盘后，会使得轴向推力有增大的趋势，因此在加装平衡盘时，也要考虑到机组在全压开车状态时，推力轴承负荷是否能满足规范要求。对于本机组，加装平衡盘后的全压开车推力为1204kgf，推力轴承负荷在设计规范内，满足要求。
图4 优化后转子结构
四、结语
在进口为高压的单级组装式离心压缩机组中，平衡盘结构在减小轴向推力方面的作用十分明显，降低了功耗和油耗，同时也由于齿轮和轴承工作条件的改善，也大幅度提高了机组运转的稳定性，有一举多得的功效。因此平衡盘结构的引入，拓宽了设计者的思路，为该类型机组的设计工作储备了技术。
参考文献
[1] 徐忠.离心压缩机原理[M].2版.北京：机械工业出版社，1990.
[2] 黄中岳，王晓放.透平式压缩机[M].北京：化学工业出版社，2004.
