帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)的制作方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓縮機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種透平式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，其特別適用于110000?150000Nm3/h量級(jí)的空分機(jī)組。
【【背景技術(shù)】】
[0002]大流量的透平式壓縮機(jī)一般用于冶金、石油化工等裝備的壓縮設(shè)備，如空氣分離裝置，且一般采用閉式葉輪。兩臺(tái)壓縮機(jī)背靠(背靠背)安裝，能有效減小施加在軸承上的軸向力，達(dá)到延長軸承壽命的效果，且結(jié)構(gòu)緊湊，利于布置中間冷卻裝置。(參見中國發(fā)明專利公開“一種背靠背型兩級(jí)離心式壓氣機(jī)的軸向力控制方法”，公開號(hào):CN102828984A，公開日:2012.12.19) ο
[0003]空分機(jī)組壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很大程度上取決于其流量和壓比的大小。中小流量的空分機(jī)組常采用單級(jí)或多級(jí)離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)；大流量的空分機(jī)組盡管也多采用多級(jí)離心結(jié)構(gòu)，但已接近離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)極限；特大量級(jí)(80000Nm3/h)以上的空分機(jī)組目前僅有多級(jí)軸流+離心結(jié)構(gòu)獲得了比較好的效果，如曼透平公司的AR-MAXl系列復(fù)合空分機(jī)組即采用6?8級(jí)軸流段+1?3級(jí)離心段+0?2臺(tái)中冷器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 3000?7000t/d 02的目標(biāo)，最高壓力可達(dá)25bar。(參見曼透平官網(wǎng)產(chǎn)品介紹和文檔資料“http://turbomachinery.man.eu/products/compressors/axial，，)
[0004]隨著裝備大型化趨勢(shì)的發(fā)展，壓縮機(jī)流量和負(fù)荷不斷加大，并且對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊等的限制要求越來越高，多級(jí)離心壓縮機(jī)第一級(jí)的設(shè)計(jì)難度逐漸增大，尤其在大流量(或大流量系數(shù))的要求下更是如此。盡管可以通過葉輪局部切削提升大流量系數(shù)離心葉輪性能，但效果并不十分理想。(參見文獻(xiàn) Wang Y S，Wang K, Lin F，et al.Performance analysisand improvement of a high flow coefficient centrifugal compressor[J].ScienceChina, 2014，57 (8): 1647-1657.)。在大流量(或大流量系數(shù))下，多級(jí)離心壓縮機(jī)的第一級(jí)葉輪容易出現(xiàn)出口相對(duì)寬度132/1)2超出離心葉輪常規(guī)設(shè)計(jì)范圍，且在輪蓋折轉(zhuǎn)處易導(dǎo)致氣流嚴(yán)重分離的問題，使葉輪壓比和效率急劇下降，從而制約了純粹的多級(jí)離心壓縮機(jī)在特大、超大量級(jí)的壓縮設(shè)備中的應(yīng)用。
[0005]盡管多級(jí)軸流壓縮機(jī)具有流道平滑、高壓比時(shí)效率較高等優(yōu)點(diǎn)，用于替代I?2級(jí)離心壓縮機(jī)作為壓縮裝置的低壓段也取得了較滿意的效果，但其本身缺點(diǎn)也比較明顯:(I)零部件數(shù)量多，加工成本高；(2)葉片抗畸變和抗沾污特性差；(3)單級(jí)增壓比低，且隨著級(jí)數(shù)的增多，末尾幾級(jí)增壓能力減弱，效率降低；(4)級(jí)間匹配困難，穩(wěn)定工作范圍小，為了擴(kuò)大喘振裕度常采用可調(diào)靜子或機(jī)匣處理，進(jìn)而又增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
[0006]斜流壓縮機(jī)結(jié)合了軸流壓縮機(jī)大流量(或大流量系數(shù))、高效率以及離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單易于制造、可靠性高、壓比高的特點(diǎn)，其流道型線在輪蓋側(cè)的折轉(zhuǎn)相對(duì)平緩，削弱了氣流在葉輪輪蓋折轉(zhuǎn)處的分離，也減小了輪蓋側(cè)葉片的擴(kuò)壓度，可用于解決大流量空分機(jī)組第一級(jí)壓縮機(jī)性能惡劣的問題。但目前用于大流量空分裝置的斜流葉輪和斜流壓縮機(jī)尚處于探索階段，因?yàn)樯虡I(yè)保密，公開文獻(xiàn)極少?！?br/>【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)，以解決傳統(tǒng)多級(jí)離心式壓縮機(jī)難以適應(yīng)特大流量空分機(jī)組需求以及在大流量(或大流量系數(shù))下第一級(jí)壓縮機(jī)性能惡劣的問題；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊、壓縮功耗小且穩(wěn)定可靠，能夠滿足特大、超大量級(jí)空分機(jī)組的需求。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)，其特征在于:包括斜流級(jí)和離心級(jí)，第一級(jí)為斜流壓縮機(jī)，第二級(jí)為離心壓縮機(jī)；斜流級(jí)包括斜流葉輪、斜流級(jí)無葉擴(kuò)壓器、斜流級(jí)蝸殼；離心級(jí)包括離心葉輪、離心級(jí)無葉擴(kuò)壓器、離心級(jí)蝸殼；在斜流壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)之間連接一個(gè)中間冷卻器，中間冷卻器進(jìn)口與斜流壓縮機(jī)蝸殼出口相連，中間冷卻器出口與離心壓縮機(jī)回流通道進(jìn)口相連。斜流葉輪與離心葉輪均為含分流葉片的閉式葉輪，葉輪同軸背靠安裝。
[0010]所述的帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)，其斜流級(jí)和離心級(jí)壓縮機(jī)的流量為175?240kg/s ;斜流壓縮機(jī)總壓比為1.5?3.0，離心壓縮機(jī)總壓比為1.5?
2.3。
[0011]所述的帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)，其斜流葉輪的軸向長度比成為0.45?0.65 ;斜流葉輪葉片出口相對(duì)寬度b 2/1)2為0.10?0.16 ;斜流葉輪出P處輪盤切線與軸線所成的錐角(即出口傾角)Θ為30°?75° ;其中，L為葉輪軸向長度，D2為葉輪葉片出口平均直徑，b 2為葉輪葉片出口寬度。
[0012]所述的帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量兩級(jí)斜流-離心組合壓縮機(jī)，其斜流葉輪主葉片前緣和斜流葉輪分流葉片前緣的葉頂處連線與軸線所成夾角0sl為0°?8°。分流葉片前緣(從葉頂至葉根)位于斜流葉輪主葉片弦長40%?65%處。斜流葉輪葉片進(jìn)口相對(duì)直徑D1ZD2X).72，從斜流葉輪主葉片葉頂弦長70%?85%位置開始至尾緣的葉片區(qū)域，其葉頂曲線的平均曲率是其余區(qū)域葉片葉頂平均曲率的2倍以上，且斜流葉輪的子午流道型線光滑過渡辦為葉輪葉片進(jìn)口葉頂直徑，D2為葉輪葉片出口平均直徑。
[0013]所述的帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)，其斜流級(jí)無葉擴(kuò)壓器的通道面積經(jīng)歷了先減小后增大的過程，其中斜流級(jí)無葉擴(kuò)壓器的收縮段流道彎曲，斜流擴(kuò)壓器進(jìn)口處輪盤傾角與斜流葉輪出口傾角相同；斜流級(jí)無葉擴(kuò)壓器喉部處(最小通流面積)與進(jìn)口處的面積之比k2/k2% 0.95?1.0，平均直徑之比D 3/1)2為1.20?1.35。
[0014]所述的帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)，其斜流擴(kuò)壓器進(jìn)口處至喉部的流道有一定角度的折轉(zhuǎn)，其折轉(zhuǎn)角度為90° -θ，Θ為斜流葉輪出口處輪盤切線與軸線所成的錐角。
[0015]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016](I)本發(fā)明能滿足特大、超大量級(jí)空分機(jī)組，尤其是110000?150000Nm3/h量級(jí)空分機(jī)組對(duì)于大流量壓縮機(jī)的需求，并能克服大流量空分機(jī)組第一級(jí)設(shè)計(jì)困難的問題。
[0017](2)與采用離心壓縮機(jī)作為空分機(jī)組壓縮機(jī)的第一級(jí)的情況相比，采用本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的斜流壓縮機(jī)作為第一級(jí)，能有效解決大流量(或大流量系數(shù))條件下采用離心壓縮機(jī)作為第一級(jí)時(shí)所出現(xiàn)的葉輪出口分離嚴(yán)重，壓縮機(jī)性能不足的問題。
[0018](3)與采用多級(jí)軸流壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)作為空分機(jī)組低壓段的情況相比，兩級(jí)斜流+離心組合壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)比多級(jí)軸流結(jié)構(gòu)具有更寬的工作范圍，葉片積垢對(duì)性能的影響沒有多級(jí)軸流結(jié)構(gòu)明顯，對(duì)于提高機(jī)組穩(wěn)定性，拓寬壓縮機(jī)工況范圍有明顯的作用。同時(shí)，采用兩級(jí)斜流-離心組合壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)取代多級(jí)軸流-離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)能夠減少壓縮機(jī)零部件數(shù)量，簡化結(jié)構(gòu)，降低軸系設(shè)計(jì)難度，減少加工、安裝和維護(hù)成本，提高葉片抗畸變能力和抗沾污能力。
[0019](4)兩級(jí)斜流-離心組合壓縮機(jī)采用背靠式布置，能減小作用在軸承上的軸向力，增加軸承壽命；采用級(jí)間冷卻，能減少10%左右的壓縮功耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。
[0020]本發(fā)明通過一個(gè)具有前端明顯軸向特征及尾端葉頂大曲率特征的斜流葉輪與一個(gè)進(jìn)口漸縮型彎道無葉擴(kuò)壓器的配合來改善第一級(jí)葉輪性能，以滿足大流量壓縮機(jī)的需求。
【【附圖說明】】
[0021]圖1為本發(fā)明帶級(jí)間冷卻的兩級(jí)大流量斜流-離心組合壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明的循環(huán)示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明的第一級(jí)斜流葉輪和斜流無葉擴(kuò)壓器的參數(shù)定義及子午面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明的前端明顯軸向特征+尾端大曲率結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的第一級(jí)葉輪子午面結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)比；第一級(jí)葉輪分別采用斜流葉輪和離心葉輪兩種設(shè)計(jì)方案以作性能對(duì)比。
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的第一級(jí)葉輪三維視圖(閉式葉輪輪蓋未畫出)；其中圖6(a)為離心葉輪的三維圖；圖6(13)為斜流葉輪的側(cè)視圖；圖6(0)為斜流葉輪的正視圖。
[0027]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的第一級(jí)葉輪性能對(duì)比示意圖；其中圖7(a)為葉輪等熵效率對(duì)比示意圖；圖7(b)為葉輪總壓比對(duì)比示意圖。
[0028]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的第二級(jí)葉輪性能對(duì)比示意圖；其中圖8(a)為葉輪等熵效率對(duì)比示意圖；圖8(b)為葉輪總壓比對(duì)比示意圖。
[0029]附圖中標(biāo)號(hào)含義為:
[0030]1、鎖緊螺母；2、主軸；3、斜流葉輪輪盤；4、斜流葉輪主葉片；5、斜流葉輪分流葉片；6、斜流葉輪輪蓋；7、無葉擴(kuò)壓器輪轂壁面；8、斜流級(jí)無葉擴(kuò)壓器；9、斜流級(jí)蝸殼；10、殼體；11、離心級(jí)蝸殼；12、離心級(jí)無葉擴(kuò)壓器；13、離心葉輪輪蓋；14、離心葉輪分流葉片；15、離心葉輪主葉片；16、離心級(jí)回流通道；17、離心葉輪輪盤；18、斜流壓縮機(jī)級(jí)；19、中間冷卻器；20、離心壓縮機(jī)級(jí)。
[0031]附圖中符號(hào)含義為:
[0032]L--葉輪軸向長度，m;
[0033]L1--斜流葉輪大曲率區(qū)域長度，m ；
[0034]D1——葉輪葉片進(jìn)口葉頂直徑，m ；
[0035]D2——葉輪葉片出口(擴(kuò)壓器進(jìn)口)平均直徑，m ；
[0036]D3一一斜流擴(kuò)壓器喉部(最小通流面積處，下同)平均直徑，m ;
[0037]b2——葉輪葉片出口(擴(kuò)壓器進(jìn)口)寬度，m ;
[0038]b3——斜流擴(kuò)壓器喉部寬度，m ;
[0039]A2——葉輪葉片出口(擴(kuò)壓器進(jìn)口)面積，m2;
[0040]A3 斜流擴(kuò)壓器喉部面積，m2;
[0041]Θ 一一斜流葉輪出口輪盤切線與軸線所成錐角(即斜流葉輪出口傾角)，° ; Θ=30。?75。；
[0042]0sl一一葉輪主葉片前緣和分流葉片前緣的葉頂處連線與軸線所成夾角，° ;
[0043]Qm--質(zhì)量流量，kg/s ；
[0044]n tt*——葉輪等熵效率；
[0045]JT*——葉輪總壓比；