单级悬臂式压缩机组转子轴向推力的优化设计.pdf

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1、钒右油／化I通用机械GM妇Petrolenm&chemicnllndHq曙单级悬臂式压缩机组转子轴向推力的优化设计沈阳鼓风机集团股份有限公司(辽宁110869)刘小明郑惠君任玉姝【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、高效化及低成本的方向发展，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

2、。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，一般为0．5～1．5MPa。2)机组压比一般为1．9～2．4，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

3、，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42；黑器盟舢年籼期隙设计影响重大，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：SVl2一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、轴承的设计难度大幅下降。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)

4、压缩机设计参数该压缩机设计参数见下表。压缩机设计参数表项目运行工况平均分子量30．7430．21728标准流量，(m‰)712746855677822入口压力，MPa(A)O．8lO．740．8l入口温度，℃423834出口压力／M【Pa(A)1．631．56(2)结构图压缩机高速转子结构如图1所示。，定刊l^^^M^f

5、阳目√Aj掣秽缈『w【图1压缩机高速转子结构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，图2轴向推力不葸图压缩机进口压力为p。，出口压力为p：。轴向推力计算公式如下。R=丁rD，印l／4+Gco(1)Fl=丌(D22一

6、D12)pl／4+87r(D22／64一D12／196一D23D。／24一D22D12／32)(p2一p1)／(D2一D1)2(2)R=丌(D22一靠2)p2／4一丌p。∥22【(D22一d。2)一(D24一靠4)，2D22】／32(3)F3=丌(d口2一“2)(p：一p。)“(4)只=丌咖2p∥(5)F=R+F1一R+R一凡(6)由于压力m、p。、p：是设计参数限定而无法改变，而尺寸D：、D．、d。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R、F，、R、只也因以上参数的固定而无法改变，只有平衡盘外径d，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

7、过调整d，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，=F0+一一见+B—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

8、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。(2)转子结构优化后优化后转子结构如图4所示，气动力F=R+，l—R+如一只=1602kgf(1kgf=9．8N)。在此推力下，齿轮的选型结果是螺旋角石油／化I通用机械图3未优化转子结构14。，在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