李曉剛 王 榮 劉紅微 李艷玲/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

大直徑筒型離心壓縮機(jī)主機(jī)及整體拆裝設(shè)計(jì)

李曉剛 王 榮 劉紅微 李艷玲/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

筒型離心壓縮機(jī)為垂直剖分離心壓縮機(jī)，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油石化、制冷及動(dòng)力等各種工業(yè)領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)各部門中占有及其重要的地位，其分類條件一般為：1）出口壓力≥4MPa(A)；2）氫氣分壓力≥1.380MPa(A)；3）氫氣含量≥70%[1]。由于其具有承壓性好，無泄漏等優(yōu)點(diǎn)，正越來越受到市場(chǎng)的青睞。

本項(xiàng)目通過對(duì)中石化芳烴項(xiàng)目的離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，應(yīng)用沈鼓離心壓縮機(jī)優(yōu)化選型程序?qū)嚎s機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)方案選型及設(shè)計(jì)[1]，并對(duì)其在設(shè)計(jì)、制造過程中遇到的技術(shù)問題和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行必要的判斷和分析，以確保整個(gè)設(shè)計(jì)方案滿足用戶要求[3]。截至目前，國內(nèi)外對(duì)于葉輪直徑為1 400mm的筒型離心壓縮機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)以及加工制造還尚屬空白。

中石化的大型連續(xù)重整裝置的核心設(shè)備是重整循環(huán)氫離心壓縮機(jī)，該項(xiàng)目也適用于單套產(chǎn)能2 000萬噸/年煉油項(xiàng)目用重整裝置機(jī)組。該重整循環(huán)氫離心壓縮機(jī)葉輪直徑為Φ1 400mm，機(jī)組長7175mm，高3 960mm，轉(zhuǎn)子跨距5 490mm，總重約250t，其出口壓力為0.813MPa（A），水壓試驗(yàn)壓力為1.455MPa（A）。機(jī)組采用垂直剖分形式，內(nèi)部芯子質(zhì)量約120t，芯子拆裝結(jié)構(gòu)做了全新的設(shè)計(jì)，采用外部滾輪，即芯子滾輪相結(jié)合的形式，將芯子質(zhì)量在裝配過程中均勻分配，從而達(dá)到完成大芯子成功裝配的目的。外端蓋與機(jī)殼結(jié)合形式采用卡環(huán)結(jié)構(gòu)，拆裝方便，密封性能可靠。

1 系統(tǒng)方案選型設(shè)計(jì)

1.1模型級(jí)選型設(shè)計(jì)

技術(shù)參數(shù)如下：Qin=532 000Nm3/h，pin= 0.341MPa(A)，Tin=45℃，pout=0.813MPa(A)，平均分子量9.4。經(jīng)過優(yōu)化最終確定葉輪直徑為Φ1 400mm，NLM系列模型級(jí)[2],級(jí)數(shù)為7級(jí)，機(jī)組為一段結(jié)構(gòu)，順排布置。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 730r/min，軸功率為20 521kW，壓縮機(jī)最高多變效率達(dá)到86.7%。

1.2葉輪強(qiáng)度的校核

考慮到葉輪最高線速度為329m/s,采用Solidworks對(duì)葉輪進(jìn)行實(shí)體建模，葉輪原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度分析未通過。因此需要對(duì)葉輪進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用改變?nèi)~輪葉片厚度、對(duì)葉輪的軸盤、蓋盤尺寸進(jìn)行局部優(yōu)化、更改葉輪半徑過盈值等多項(xiàng)措施[3]。

經(jīng)過修改后的葉輪三維實(shí)體模型及葉輪有限元模型如圖1和圖2所示。

通過以上優(yōu)化修改后的NLM模型級(jí)[4]，葉輪強(qiáng)度大大提升，軸孔變形量及固有頻率均控制在一定范圍內(nèi)并滿足要求，最終滿足葉輪強(qiáng)度要求[5]。

1.3裝置布置

本項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)機(jī)采用杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的NK50/57多級(jí)冷凝式汽輪機(jī)，壓縮機(jī)和汽輪機(jī)分別安裝在單獨(dú)鋼底座上；整個(gè)機(jī)組采用獨(dú)立潤滑油站供油。汽輪機(jī)與壓縮機(jī)采用膜盤聯(lián)軸器聯(lián)接，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。裝置布置圖如圖3所示。

2 壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

2.1定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

該重整循環(huán)氫離心壓縮機(jī)組外形尺寸為Φ2 900mm,長7 175mm，機(jī)組總重250t，所以在設(shè)計(jì)之初必需考慮機(jī)組的整體剛性、強(qiáng)度和起吊等問題[6]。為了盡可能的減輕機(jī)組總質(zhì)量，易于加工采用了卡環(huán)結(jié)構(gòu)，并對(duì)外機(jī)殼及卡環(huán)進(jìn)行了應(yīng)力與變形校核。

2.1.1 外機(jī)殼及卡環(huán)

本次對(duì)機(jī)殼結(jié)構(gòu)特性的分析，主要研究機(jī)殼的變形及應(yīng)力分布特點(diǎn)，以二維設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)，采用三維實(shí)體建模軟件建立三維實(shí)體模型，如圖4和圖5所示。所以在本次分析過程中，對(duì)機(jī)殼上焊縫的影響不做非常細(xì)致的考慮，我們認(rèn)為焊縫處材料及強(qiáng)度與機(jī)殼母材情況相同[7]，即在不影響結(jié)果的情況下，對(duì)一些局部細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，以便有效地提高計(jì)算速度。

經(jīng)過對(duì)力學(xué)強(qiáng)度等的周密計(jì)算，得知機(jī)殼在自重作用下，該機(jī)殼結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為19MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服極限250MPa，滿足強(qiáng)度要求，機(jī)殼的等效應(yīng)力分布云圖見圖6所示。

通過變形分析得知，在自重作用下，該機(jī)殼結(jié)構(gòu)的最大豎向變形量為0.032mm，機(jī)殼的豎向變形圖及卡環(huán)局部等效應(yīng)力分布云圖見圖7和圖8所示。

綜合以上分析我們可以看出，機(jī)殼的設(shè)計(jì)完全滿足要求[8]，卡環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也滿足其材料本身的強(qiáng)度要求，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步的工作[9]。

2.1.2 機(jī)殼進(jìn)氣蝸室面積及氣流速度

該重整循環(huán)氫壓縮機(jī)組一段進(jìn)口直徑為Φ1 500mm，介質(zhì)的流通內(nèi)徑為Φ1 492mm，一段出口直徑為Φ1 000mm，介質(zhì)的流通內(nèi)徑為Φ 992mm。結(jié)合機(jī)組的氣動(dòng)方案報(bào)告，得到機(jī)組的進(jìn)出風(fēng)筒流速見表1。

表1 風(fēng)口法蘭氣流速度表

為了使進(jìn)氣更加均勻，進(jìn)一步提升機(jī)組效率，進(jìn)氣效果更好，我們將進(jìn)氣蝸室設(shè)計(jì)成為變截面進(jìn)口蝸室，見圖9所示。

變截面進(jìn)口蝸室，即按照一定的面積比，將進(jìn)氣的環(huán)形截面設(shè)計(jì)成通流面積不完全相同且圓滑過渡的變截面。通過對(duì)進(jìn)口蝸室環(huán)形截面的改造，可以達(dá)到進(jìn)氣更加均勻，高效的目的，減少進(jìn)氣損失。

3 大型機(jī)組芯子的整體裝拆設(shè)計(jì)

該重整循環(huán)氫壓縮機(jī)組的內(nèi)機(jī)殼、隔板束和轉(zhuǎn)子總質(zhì)量為120t。由于筒型壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊，芯子（組裝后的內(nèi)機(jī)殼、隔板和轉(zhuǎn)子）需要整體裝配好后推入外機(jī)殼內(nèi)，如此重的芯子如何拆裝成為該機(jī)組研制成功與否的關(guān)鍵點(diǎn)。另外，由于用戶現(xiàn)場(chǎng)無法安裝150t吊車，因此要求芯子分半吊裝，在專用工具上完成芯子的組裝及向機(jī)殼內(nèi)推進(jìn)的工作，且推進(jìn)過程又不能借助現(xiàn)場(chǎng)吊車的協(xié)助，完全依靠專用工具自身把芯子安裝到位。又給我們的研制工作帶來了難度。

針對(duì)上述問題及用戶現(xiàn)場(chǎng)的特殊要求，我們對(duì)芯子拆裝工具提出全新的設(shè)計(jì)方案，見圖10和圖11所示。

3.1芯子拆裝工具的設(shè)計(jì)

1）拆裝工具主體機(jī)械部分由液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。液壓缸分為推進(jìn)液壓缸①和支撐液壓托塊②。推進(jìn)液壓缸配有專用支座，可以將其置于導(dǎo)軌上，便于拆裝固定；支撐液壓缸固定在底座上；導(dǎo)軌③與底座用支撐固定架④連接。由此實(shí)現(xiàn)芯子系統(tǒng)高度上下調(diào)節(jié)。

2）機(jī)械部分的推進(jìn)支架⑥帶有滾輪，能夠?qū)崿F(xiàn)微調(diào)，將內(nèi)機(jī)殼與推進(jìn)支架固定后一同置于導(dǎo)軌上，從而可以通過推進(jìn)支架的滾輪和支撐液壓托塊的滾輪⑤共同作用，實(shí)現(xiàn)內(nèi)機(jī)殼組部的對(duì)中。導(dǎo)軌③與壓縮機(jī)機(jī)殼端面采用螺栓把合連接。

3）推進(jìn)內(nèi)機(jī)殼時(shí)，將推進(jìn)液壓缸①至于導(dǎo)軌③上，由驅(qū)動(dòng)油泵將內(nèi)機(jī)殼推入，每次行程500mm，之后將推進(jìn)支架⑥取下，置于導(dǎo)軌下一組定位孔，重復(fù)以上操作；各組支撐液壓托塊②可根據(jù)推進(jìn)過程的需要由液壓系統(tǒng)控制起降，以保證內(nèi)機(jī)殼組部與壓縮機(jī)安裝中心線的對(duì)中。內(nèi)機(jī)殼拆卸時(shí)反向操作即可。

4）支撐液壓托塊的滾輪⑤，減小內(nèi)機(jī)殼推進(jìn)的摩擦力。選用表面硬度低于內(nèi)機(jī)殼材料，確保滾輪不劃傷內(nèi)機(jī)殼。

5）檢修拆裝工具技術(shù)參數(shù)：推進(jìn)油缸的行程為500mm，舉升力可達(dá)到20t；支撐油缸行程為100mm，舉升力可達(dá)到30t。

通過對(duì)芯子拆裝工具的設(shè)計(jì)，不僅滿足了其剛性、起頂載荷、液壓頂升系統(tǒng)調(diào)節(jié)高度以及可實(shí)現(xiàn)對(duì)中調(diào)心功能，解決大型筒形壓縮機(jī)裝配過程的難題。進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)過程的自動(dòng)化，推進(jìn)液壓缸的設(shè)計(jì)改變了以往依靠人工提供液壓提供動(dòng)力進(jìn)行推進(jìn)的過程，極大的提高了安裝效率。

該機(jī)組專用工具經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，效果顯著，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，解決了大型壓縮機(jī)組內(nèi)機(jī)殼的裝配難題。為沈鼓研制更大型的機(jī)組提供技術(shù)支撐[10]。

3.2端蓋吊裝工具

端蓋直徑Φ2 600mm，重15.8t，出口隔板重11.5t。端蓋吊裝工具設(shè)計(jì)載荷為27.3t。其外形圖見圖12所示。

對(duì)端蓋吊裝工具三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡化后，在ANSYS環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分，得到圖13所示的有限元網(wǎng)格模型。

：本文通過利用沈鼓離心壓縮機(jī)優(yōu)化選型程序?qū)嚎s機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子、定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析，并通過有限元分析對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：在滿足機(jī)組剛性、強(qiáng)度的情況下，通過卡環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減輕直徑為1 400mm的筒型離心壓縮機(jī)機(jī)殼質(zhì)量；同時(shí)設(shè)計(jì)了大型機(jī)組芯子拆裝工具，確保大型芯子（含內(nèi)機(jī)殼、隔板和轉(zhuǎn)子）的整體拆裝的順利完成，該機(jī)組可以滿足20t級(jí)以上的端蓋拆裝設(shè)計(jì)。

大型內(nèi)機(jī)殼；芯子；整體拆裝；自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)；離心壓縮機(jī)

Design o f Large Centrifugal Compressor and Its Disassembly Method

Li Xiao-gang，Wang Rong，Liu Hong-wei,Li Yan-ling/Shenyang Blower Works Group Corporation

large scale inner casing;large core;assembly;automated propulsion system; centrifugalcompressor

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）06-0045-05

10.16492/j.fjjs.2016.06.0013

2016-02-03遼寧沈陽110869

Abstract:This paper analyzes the design parametersof the centrifugal compressor using CAL300 software by simulating structural strength of the stator and rotor.The simulation results show that the volute weight of the centrifugal compressor impeller with the diameter of 1400mm could be reduced through designing a snap ring without changing the performance and integrity of the compressor. This paper also presents a disassembly device for the large core assembly,which includes inner casing,diaphragm,and rotor.The disassembling device can be used for the large end coverwithover20 ton.