中国离心式压缩机的发展状况

中国离心式压缩机的发展状况作者：马铖彬摘要：离心式压缩机广泛应用于石油天然气工业等领域，而中国的离心式压缩机的发展关系着以后未来的生活。为此，研究中国的离心式压缩机的发展有利于未来更好地了解中国甚至世界的经济状况以及现在要做出的方案。关键字：压缩机发展经济状况发展历程：在了解离心式压缩机的发展状况之前，先明白其用途以及工作原理。离心式压缩机用于压缩气体的主要部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。简单地讲，离心式压缩机就是通过叶轮对气体做功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转化为气体压力能。离心式压缩机用途较广，如石油化学工业中合成氨中生产化肥，天然气输送以及制冷，动力工程中用于燃气轮机，内燃机以及动力风源。离心式压缩机根据排气压力分为三类：离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机。第一台工业上使用的离心压缩机是在人类迈入20世纪时与早期的内燃机一同出现的，其中一些工作是由发明第一台燃气轮机的Eilling在1903年完成的。在20世纪初期，这些压缩机也被应用在过程工业中，最早应用的是钢铁厂中的高炉鼓风机。例如，某设备制造商将第一台7系列的离心压缩机在1912年销售给了位于美国密苏里州圣路易斯的Scullin钢铁公司。即使按照现在的标准衡量这些鼓风机也是大型的设备，虽然功能上相同，但是以前压缩机中的基本部件，如：轴承、密封、叶轮和扩压器等与现在压缩机中复杂内部部件相比，还是有很大不同。提高制造方法是发展现代高性能离心压缩机的一个重要因素，如果不能精确加工出为了提高性能所设计的复杂型线，那么应用现代尖端分析和设计技术就是显得意义不大。能够取得当前的高效率水平，与现在的制造方法是密不可分的，不过这种看法最初并没有被认同。在离心压缩机发展的初级阶段，中国的设计水平在一定程度上受到当时制造方法的限制，设备制造商在进行设计时，不得不使用当时较为限制的几种方法，包括机械加工，连接和铸造。21世纪，离心压缩机，往复压缩机，螺杆压缩机是化工工艺流程与气体动力领域的三大主流，离心式压缩机占主导地位推动发展的动力：工业企业的大型化。30万吨合成氢，50万吨尿素，30万吨聚乙烯这样大型化工企业在世纪运行中显示出了巨大的经济性。大型的空分装置需求量也日益增加。离心式压缩机体积不大，占地面积也非常小，之前的往复压缩机被取代，并且离心式压缩机所压缩的气体不会被润滑油污染，同时中间冷却器的传热性能得到改善，并可省去油分离装置，可靠性比较高，离心压缩机实用化也在进一步发展，近年来，计算机的飞速发展及各种成熟，软件的编制使这种计算更方便，对被压缩气体的性质的掌握，各种实际气体热力学过程能量变换的认识，提高了计算的正确性。完善的设计而无加工手段也枉然，自20世纪60年代发展起来的数控加工设备能够很好的满足空间精密加工的要求，这对离心压缩机及其他具有复杂加工表面的机器发展起了推动作用。在高压范围内离心的应用还相当困难，为适应离心压缩机的工作特点，各种需要高压的工艺逐渐通过改进而在低压下完成。离心式压缩机应用于冰箱，空调等方面，以下举一个例子来说离心式压缩机的发展。长春第一汽车集团公司使中国工业汽车空调的摇篮。1996年接受为中央首长制造红旗保险车的任务，由于受空调工业发展限制，夏季用车时只能事先用冰块冷却车内的空气。1969年成功研制第一台汽车空调装置，不仅结束了中国不能生产保险车的历史，同时开创了中国自行设计，独立制造汽车空调装置的先河。此后，第一机械工业专门建立生产和装配压缩机的车间，建立了蒸发器和冷凝器生产车间，这也是离心式压缩机诞生的标志。改革开放后，上百个企业纷纷争上汽车空调，如今的产量也达到世界第四名，这一切都要归功于离心式压缩机，正是汽车空调的发展，使人们逐渐认识到了离心式压缩机的重要性，在很大程度上促使离心式压缩机的发展，它也正是从一点点地扩大，造福人类的未来。在离心压缩机中的主要空气动力学部件有进口涡室、进口导叶、叶轮、扩压器、弯道、回流器、出口涡室和旁流（或级间抽、加气）部件等下面依次介绍它们的发展。离心压缩机获得较高的性能需要优秀的空气动力学设计，而离心式叶轮是其中最为重要的部件。由于被压缩气体所得到的全部能量均是由叶轮传递而来的，所以如果没有很好设计的叶轮，离心压缩机整机性能或每个压缩级是无法取得较高效率的。在过去几十年内，效率的提高，大多通过制造和设计手段的改进来不断完善叶轮型线而取得的。早期的叶轮是通过焊接、钎焊，铆接或铸造所制造的。每种制造方法都会限制叶轮的几何形状，从而限制其性能的获得。在20世纪五六十年代，设备制造商开始制造焊接式叶轮。焊接叶轮主要有两种类型：两件焊和三件焊。在两件焊的结构中，叶轮的叶片是被三轴铣制在轮盖（或轴盘）上，再以角焊缝型式与轴盘（或轮盖）焊接为一体；由于是三轴铣制，叶片型线实际上是二维的，即由圆形、椭圆或其它二维几何形状组成。这样的结构严重限制了空气动力学的设计，但是这就是当时三轴铣制所能够取得的。此外，为了进行角焊缝焊接，流道必须有足够的宽度来使焊具进入（通常15.25mm或更大）。因此，窄流道的小流量系数的叶轮是无法用焊接来制造，而只有通过贯穿叶片的铆接或铸造来实现，见图2。离心式压缩机中需要采用二维方法，而这一方法在20世纪50年代末期开始被商业化应用，成为设计师开发和分析部件的空气动力学更为先进的一种手段。与一维方法不同，二维方法可以考虑到整个流道的边界条件，包括轴盘和轮盖的轮廓、叶片或导叶的角度和厚度等。在1965年5月，J.W.Lund发表了为美国空军航空推进实验室准备的报告，报告第五部分记录了一个可以用于确定处在流体膜轴承上的转子的不平衡响应的计算机程序及其分析基础。再加上确定油膜刚度的和阻尼的轴承计算程序和密封计算程序，使得对于转子的分析更为透彻。在20世纪40年代中期，Myklestad开发了应用于飞机机翼和其它梁式结构的一种新的非耦合弯曲振动计算方法。一年后，Prohl开发了一种柔性转子临界转速的通用计算方法。二者组成了Myklested-Phohl方法的基础，这种方法就是直到今天还广泛应用的无阻尼临界转速图谱分析的一种转换矩阵方案。就像空气动力学专家使用一维方法开始分析一个新叶轮的设计一样，转子动力学分析也是使用无阻尼临界转速图谱来确定轴承支撑系统的转子自然频率的。无阻尼临界转速的计算程序通过输入的转子几何形状，并根据对称轴承刚度系数，来生成无阻尼周期同步临界转速，见图12。从20世纪40年代到60年代，一阶临界转速（NC1）一直使用手工计算，并使其避开压缩机的运行速度范围。随着计算机技术的飞速发展和对径向轴承系数认识的深入，轴承系数可以在无阻尼临界转速图谱上被准确地考虑进去，从而修正临界转速的位置，来满足机组运行的要求。在20世纪70年代早期，一些高压注气压缩机和合成气压缩机上出现了一系列的稳定性问题。1974年，Lund发表了一篇关于转子稳定性分析的突破性的文章，随后根据这篇文章的理论开发出相应的计算程序。Lund的横向稳定性程序被用来分析在一阶自然频率时的不稳定性问题和设计出抗非同步振动的离心压缩机，即人们常说的Lund（伦德）分析。转子动力学稳定性使人们对对数衰减的认识更加深刻。一个系统的对数衰减可以表现为一定时间范围内振幅峰值的连续变化。如果振幅随着时间的变化而减小则对数衰减为正，相反，若增大则对数衰减为负，见图13。转子稳定性程序还可用于分析流力油膜轴承可能出现的油膜涡动问题。随着转速、功率和气体密度的增加，对离心压缩机各种内部的力的控制程度的不同，当气体密度增加时，可以使一个转子变得不稳定或者变得稳定。几十年来，密封叶轮周围的泄漏普遍使用梳齿密封，最近用于叶轮口圈和平衡盘的止涡密封（见图18）的出现显著提高了转子动力学特性。巧妙的固定叶片状结构的设计，可以控制泄漏气体通过密封处的周向速度，还可以起到改变阻尼的效果。结构动力学也一直在进步，其中一个重要方面就是叶轮动力学，它使得机器可靠性得到显著提高。早期，设计者必须进行大量而简单的手工计算来求出叶轮应力，并确定叶轮材料没有到其屈服极限，叶轮也不会在轴上滑动（过盈过小时）。那时叶轮外缘速度只有现在最先进技术的一半左右，这样做还是可以的。随着有限元分析（FEA）和计算机技术的发展，越来越精确的有限元分析模型，能够使人们更好地估计因旋转而施加在转子上的应力。不过，压缩机的用户有时偶尔还会遇到一些叶轮方面的事故，其中大多数是叶轮工作时周围存在共振，从而产生高循环疲劳裂纹。今天，人们利用同样可以用于转子上的，已经开发了近四十年的数学模型和受迫响应等手段来进行叶轮分析。随着对叶轮固有频率，及由入口导叶（IGVs）与低稠度叶片扩压器（LSDs）引起的气动力的深入了解，近年来已经大幅地减少了叶轮引起的事故。讨论分析：离心压缩机技术已经接近空气动力学效率的最高极限，但人们还是可以设法进一步提高效率，并增大高效率时的流量范围。因此，在展望未来的发展时，人们可以预测以下方面：更加精确的叶片型线；更加不同寻常的扩压器；可动形状的导流叶片、扩压器和回流器；进一步改进的密封技术；和其它一些定子部件的增强。展望：离心压缩机的设计、制造技术已经取得了非常大的进步，其中许多是得益于在设计阶段使用的分析工具的改变。如果无法将设计师的成果转化成合格的产品，使用再精确的分析方法也是徒劳的。所以，离心压缩机性能的提高绝对离不开制造方法的进步。如若制造方法不能确保加工精度达到一位小数，那么就没有意义将一个新部件设计要求到三位小数。因此，用五轴铣制替代三件焊接、用组装加工方式替代铸造等方法，使得人们可以制造出更高质量的部件，也就获得了更高的性能。离心压缩机的发展不会停止。随着不断地提高能量利用效率，人们还会取得各种各样的进步。原始设备制造商们还会不懈努力来获得更高的性能，和/（或）更宽的使用范围。可以确信的是，我们一定可以在未来看到离心压缩机不停地在进步。参考文献:○1制冷压缩机(第2版)作者吴业正李红旗张华○2离心式压缩机安装与检修○3离心式压缩机技术问答离心式压缩机原理作者徐忠