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新老11选5区别:離心式壓縮機的全面發展史

山东老11选5遗漏 www.arvfub.com.cn 歷史上第一臺工業上用離心壓縮機是在人類邁入 20 世紀時與早期的燃氣輪機一同出現的。其中一些工作是由發明第一臺燃氣輪機的 Elling 在 1903 年完成的。在 20 世紀初期,這些壓縮機也被應用在過程工業中。最早應用的是鋼鐵廠中的高爐鼓風機。例如,某設備制造商(OEM)將第一臺 7 系列的離心壓縮機在 1912 年銷售給了位于美國密蘇里州圣路易斯的 Scullin 鋼鐵公司。即使按照現在的標準衡量,這些鼓風機也是大型的設備。雖然在功能上相同,但是以前壓縮機中的基本部件如:軸承、密封、葉輪和擴壓器等與現在壓縮機中復雜內部部件相比,還是有很大的不同。

  提高制造方法是發展現代高性能離心壓縮機的一個重要因素。如果不能精確加工出為了提高性能所設計的復雜型線,那么應用現代尖端分析和設計技術就顯得意義不大。能夠取得當前的高效率水平,與現在的制造方法是密不可分的。不過,這種看法最初并不被認同。

  在離心壓縮機發展的初期階段,設計水平在一定程度上受到了當時制造方法的限制。設備制造商在進行設計時,不得不使用當時較為有限的幾種方法,包括機械加工(即車削、三軸銑制)、聯接(即焊接、鉚接)和鑄造。

  機械加工技術當時只有車削和三軸銑制。這兩種方法只能加工非常簡單的二維型線,并被應用在大多數離心壓縮機上,但是無法滿足大流量和(或)高馬赫數的要求。設備制造商必須使用焊接或鑄造,來制造應用在較高流量場合的更復雜的型線。事實上,直到 20 世紀 50 年代末、 60 年代初,焊接葉輪還沒有被大量的使用。因此,早期離心壓縮機的葉輪主要是鑄造或者是鉚接的。一些最早期的鉚接葉輪可以追溯到 20 世紀 20 年代。

  同樣,定子部件也是焊接或鑄造的。由于當部件相同時,重復鑄造可以降低成本;當時提高性能不是考核的關鍵,大多數設備制造商傾向于使用鑄造方法。壓縮機機殼使用鑄件的方式,直到 20 世紀 50 年代還較為普遍。不過鑄造部件表面粗糙的特性,決定了在使用它的時候,必須犧牲一些空氣動力學性能,但是并不阻礙它可以大量被應用在工藝壓縮機中。當時甚至整個通流部分均可以由鑄件組成。之后,通流部分部件開始較少使用鑄件,而是用焊接、螺栓連接、或鉚接的型式來制造。

  在這些早期壓縮機中,其主要性能指標只是簡單地壓縮氣體,能量消耗不是主要考核點。隨著高能耗所造成的高成本和設備制造商們的競爭升級,越來越有必要開發高性能的離心壓縮機。

  過去60年來 , 壓縮機最高效率的發展過程見圖 1 。圖中曲線表示流量系數φ大于 0.080 的離心壓縮機基本級。當基本級流量系數較小時,由于各種損失的影響,其最高效率相對較低。從圖中可以看出,在 20 世紀 50 年代的最高效率大多分布在 70%~75% 。那時的能源相對豐富,沒有人在意性能相對低的離心壓縮機。但是隨著 20 世紀 70 年代中期能源?;謀?,用戶與壓縮機制造商開始注重降低能量消耗,使得原動機和壓縮機的性能大大提高,壓縮機效率達到了80%~85% 。在90年代和本世紀初,效率得到進一步發展,可以接近 90% 。但是多級離心壓縮機工業正在逼近由 90%~92% 的理論多變效率決定的效率極限。因此,想要設計出效率高于 92% 的多級工藝離心壓縮機幾乎是不可能的。顯然,牛頓定律和熱力學定律就決定了壓縮機不可能達到100%的效率。此外,還有一些基本損失(即二次流、邊界效應、泄漏、氣流角度偏差、軸承磨擦等)在基本級中是不可避免的。這些基本損失會將多級離心壓縮機的效率限制在90%~92%。

  對比最初的幾十年發展階段,最近十幾年來效率的提高幅度相對較小,顯然這是由于效率已經被提高至趨于極限,即使大量的投入也很難取得顯著提高。未來的提高方向可以有下列幾種:( a )考慮從前被認為是次要的、忽略的性能影響因素,如泄漏通道;( b )開發更先進的空氣動力學零部件;( c )融合軸流和離心技術。通過這些方法可能獲得更高的級或整機效率,但是可能要犧牲一些流量范圍。雖然現在所謂的理論效率極限也有可能被打破,不過可以預見,在未來十年的發展中,效率的提高不會像從前有 5% 或 10% 的提高,而只能是 0.1% , 0.5% 或 1% 逐漸地提高了。

1 空氣動力學

  在離心壓縮機中的主要空氣動力學部件有進口渦室、進口導葉、葉輪、擴壓器、彎道、回流器、出口渦室和旁流(或級間抽、加氣)部件等。所有這些部件均伴隨著制造和分析方法的提高而得到了優化。下面按照它們對性能影響的重要性的順序,從高到低地對這些部件進行詳細探討。

1.1  葉輪

  離心壓縮機獲得較高的性能需要優秀的空氣動力學設計,而離心式葉輪是其中最為重要的部件。由于被壓縮氣體所得到的全部能量均是由葉輪傳遞而來的,所以如果沒有很好設計的葉輪,離心壓縮機整機性能或每個壓縮級是無法取得較高效率的。在過去幾十年內,效率的提高,大多通過制造和設計手段的改進來不斷完善葉輪型線而取得的。

  早期的葉輪是通過焊接、釬焊,鉚接或鑄造所制造的。每種制造方法都會限制葉輪的幾何形狀,從而限制其性能的獲得。在 20 世紀五六十年代,設備制造商開始制造焊接式葉輪。焊接葉輪主要有兩種類型:兩件焊和三件焊。在兩件焊的結構中,葉輪的葉片是被三軸銑制在輪蓋(或軸盤)上,再以角焊縫型式與軸盤(或輪蓋)焊接為一體;由于是三軸銑制,葉片型線實際上是二維的,即由圓形、橢圓或其它二維幾何形狀組成。這樣的結構嚴重限制了空氣動力學的設計,但是這就是當時三軸銑制所能夠取得的。此外,為了進行角焊縫焊接,流道必須有足夠的寬度來使焊具進入(通常 15.25mm 或更大)。因此,窄流道的小流量系數的葉輪是無法用焊接來制造,而只有通過貫穿葉片的鉚接或鑄造來實現,見圖2。

  當葉輪的流量系數較大時(φ>0.040 ),葉輪的葉片進口角必須貼近非均勻分布的進口氣流角才能獲得較好的性能。闡述如下:

  大流量系數的級,葉輪進口處的圓周速度和子午面速度的分布變化很大,從而使葉輪進口處從輪蓋到軸盤分布的接近角的變化很大見圖3。圓周速度 U1x )是一個由不同位置的直徑所決定的參數,即大流量系數的級中,從輪蓋到軸盤,直徑逐漸變大,故此, U1S 要比 U1H 大很多。

  此外,葉片前緣的當地曲率從輪蓋到軸盤方向也在變化。子午面速度( Cmx )由當地的曲率所決定,所以 C1S 要大于 C1MC1H[4] 。由于 U1xC1x 的變化,從輪蓋到軸盤方向的氣流接近角也發生變化。為了使得這些角度能相互接近,就必須使接近角在前緣的變化是三維結構。

  因為用戶不斷要求處理更大的流量,眾多壓縮機制造商也曾經在大流量系數時使用了二維葉片,但是二維型線不能適應大流量時較大的氣流進口角,這些壓縮機的性能均不是很好。

  隨著對風機性能要求的不斷提高,必須找出方法來制造三維葉片。早期的解決方案是鑄造或三件組裝(焊接或鉚接)。使用鑄造時,假若前緣角度可以滿足進口安裝角的要求,那么三維型線可以通過復雜的模具鑄造出來;三件組裝中所謂的“三件”就是輪蓋、軸盤和一定數量的葉片。最初的三維設計,葉片型線是由錐體、圓柱體和圓環體組成的,這些均可以用軋制或沖壓來取得。但是,這些型線雖然改善了安裝角,但在整個葉輪流道中還是不精確。越是要求復雜的型線,那么型線就好像是可以任意變化的。由于型線不再是普通的幾何形狀那樣可以簡單復制,所以被稱為自由型線。自由型線是由空間或網格中的直線元素構成的,這就需要大量的幾何體生成軟件???。其中晚期的軟件??櫓兩袢栽謔褂?。

  葉片由模鍛或者其它成型方法加工后,再將其與一個用于檢查的??榻卸員?,來確定其型線是正確的。不過由于彈性變形的存在,葉片還是會與想要得到的型線有偏差。葉片隨后與輪蓋和軸盤進行焊接或鉚接,就形成了葉輪,見圖4 。簡單或是復雜的各種固定葉片的工具被開發出來,用于減少葉片與葉片之間的位置變化。這些相對位置變化在鉚接葉輪中一般較小,而在焊接葉輪中因焊接及隨后的熱處理而較大。此外,焊接葉輪必須用噴砂來去除焊渣或焊后熱處理時所形成的氧化層,來使表面可以進行著色或者磁粉等無損探傷。但是噴砂會降低表面光潔度,而使得葉輪還要被打磨、拋光或是研磨來達到所要求的光潔度。

  對葉片型線的精確性及表面光潔度的擔心,隨著五軸銑制的出現而均被解決了。葉片從此不再采用模鍛,而是可以用側銑或點銑的方式,直接在一個盤型鍛件上來銑制出來。葉片可以銑制在軸盤(或輪蓋),從而減少了一些焊接量。當然,銑制出來的葉片型線要比先前三件組裝(焊接或鉚接)的要精確的多。葉片與葉片間的更均勻的空間間隔,就可以獲得更好的空氣動力學性能。

  近些年來,制造商開始用一個鍛件來加工出整體的閉式葉輪,而不再需要對葉片、軸盤和輪蓋進行焊接。每個葉輪流道都是從內側和外側伸入后銑制出來的,內側銑和外側銑在流道接近中間處會合。這種“無聯接”結構比任何一種焊接或釬焊的結合強度都好。但很多場合,單件銑制還因其其特性而受到局限。伸入銑制時,在一些流道部位,如果使用通用銑刀是無法到達的。因此,開發了專用的“棒棒糖”銑刀,以便加工到難以到達的流道部位,見圖 5 。所以,使用銑刀銑制窄流道時,其長徑比是有一定限制的。因此,單件銑制一般用于加工大直徑、大流量系數的葉輪,即φ>0.040 , D 2>381mm 。

  對于設備制造商,制造小流量系數的級也是艱巨的挑戰。這些級在注氣、合成氣等領域是非常重要的。由于流量小,所以必須開發流道非常窄且精確制造的葉輪。角焊縫一般應用在出口寬度 15mm 以上,并不能在窄流道時使用。

  鉚接在早期有所應用,但是隨著運行速度及其引起的高應力的增加,而逐漸被淘汰。代替它的是釬焊和開槽焊,但它們在使用上都有一定的局限性。如果釬焊厚度較大,葉片與其聯接的部件(軸盤或輪蓋)的間隙就大,這樣就會造成釬焊的聯接強度較差。釬焊一般的使用在 0.025mm~0.075mm 的間隙??酆富岜惹ズ傅牧憂慷群靡恍?,但是其軸盤(或輪蓋)的母材與葉片的母材是熔融的,從而容易造成流道變形,這就使得流道寬度比預想的有所偏差,一般都會降低葉輪的性能。雖然釬焊時沒有金屬熔融,而是一種近似的“機械鎖定”,對流道寬度控制較好,但是其聯接強度還是較低。

  為了解決以上問題,制造商開始嘗試使用一種原來由飛機工業中發展而來的電子束焊接工藝。使用電子束焊接時,葉片及與其焊接的母材,雖然是與釬焊具有“機械鎖定”相同的特性,但都不是熔融的,所以流道寬度的精度較高。在 20 世紀 90 年代初,開發出一種 EBrazeTM 焊接的專利電子束焊接技術,它使用一種兼具電子束焊接和釬焊的方法將輪蓋(或軸盤)與葉片焊接起來。該方法解決了傳統電子束焊接未熔融部位應力較大的問題,從而提高了聯接的疲勞強度。通過使用各種形式的電子束焊接,可以制造出更精確、更堅固的小流量系數的葉輪。

  其它制造小流量系數的葉輪的方法還有電火花加工( EDM )和電化學加工( ECM ),它們也可以用一個完整鍛件來加工出小流量系數的葉輪。不過,這些方法均要求在設計小流量系數的葉輪時,就要考慮所有需要加工的部位均可以實際加工到。

  二維葉型可以使得流道很窄,這樣從軸盤到輪蓋分布的氣流角差異很小。因此,小流量系數的葉輪基本都使用二維葉型。

1.2 擴壓器

  擴壓器將葉輪壓縮過的氣體中的一部分動能(動壓)轉換到靜壓(勢能),并降低了氣體的容積流量。

  離心壓縮機的擴壓器分:無葉擴壓器和葉片擴壓器。顧名思義,無葉擴壓器中沒有葉片;而葉片擴壓器中配有葉片。通常,由于擴壓器沒有葉片,氣流流過時就不會與葉片相互干涉,故使用無葉擴壓器的壓縮機的運行工況會很寬。但是,無葉擴壓器不能像葉片擴壓器那樣可以把較多的動能轉化為所需的壓力能,因此,使用葉片擴壓器的級會比使用無葉擴壓器的級效率更高,見圖6。

  早期的離心壓縮機設計較為簡單,其大部分使用無葉擴壓器。通過簡單的車削就可以加工出組成擴壓器的平行或楔形的兩壁,而且車削加工可以達到高性能無葉擴壓器所需要的表面光潔度。但是,有限的最高靜壓轉化能力(一般低于 50% )限制了無葉擴壓器所能取得的最高效率。

  一些工藝壓縮機制造商嘗試使用槽形擴壓器,它是得名于其兩個相鄰的擴壓器葉片組成了像槽形的流道,見圖7。該擴壓器可以達到很高的靜壓轉化能力(CP,在75%~80%)。不過,槽形擴壓器也會降低大多數壓縮機所必需的較寬的運行范圍。因此,槽形擴壓器很少在工藝氣壓縮機中使用,而是在空氣壓縮機、燃汽輪機中燃氣發生器壓縮機或渦輪增壓器這些不需較寬運行范圍的設備上應用較多。直到20世紀80年代,無葉擴壓器被廣泛使用在工業壓縮機中。之后,一些設備制造商開始使用低稠度葉片擴壓器(LSD)。與槽形擴壓器不同,低稠度葉片擴壓器并沒有所謂的槽形,也沒有真正的幾何形狀的喉部,見圖8。其主要優點是其提供了幾乎與無葉擴壓器相當的運行范圍,和比無葉擴壓器高得多的靜壓轉化能力(即更高的級效率)。但是,效率的提高一般體現在中、小流量系數的級,即φ<0.080 ;特別是小流量系數,φ≤ 0.030 時更為顯著。

  近期,有些設備制造商重新使用拱肋擴壓器——一種特殊的低稠度葉片擴壓器,它的葉片寬度要短于擴壓器寬度,見圖9。這種擴壓器最初開發于20世紀70年代中后期,不過在當時并沒有得到認可。只能在一定流量系數范圍內大幅提高效率。

1.3  其它部件(進口導葉、回流器、出口渦室、進口渦室、旁流和機殼)

  早期的定子部件大多是鑄件,所以它們可能出現偏心、葉片厚度偏差和表面粗糙等缺點,引起過多的損失和不確定的預期性能。

  為了減少鑄造模具數量、提高鑄造精度,在鑄造機殼中的彎道或過渡段結構時,會引起一些如擴壓器和彎道的流道不對齊等問題。由于彎道(大半徑,截面近似半圓形)鑄造在機殼中,它的位置和尺寸就確定了。而隔板中的葉盤(小半徑,截面近似半圓形)是單獨加工的,不可能與這個特定位置與尺寸的彎道照配,這樣就會出現如圖 10 所示的不對齊問題,從而降低效率,且此處成為形成旋轉失速流場的位置。

  為了解決此類問題,壓縮機制造商開始制造具有穩定流場流道的部件。由于早期加工方式的限制,只有回流器葉片可以用三軸銑制。隨著大型五軸銑制的出現,進口渦室和出口渦室等復雜部件就可以較為精確地制造了。而且預旋進口導葉也可以用五軸銑制來加工。直到 2000 年,壓縮機制造商才可以制造出全部由組裝 / 加工的內部部件組成的離心壓縮機,而在 20 世紀 50 年代,所有這些部件還都是鑄造的。

  組裝這些不同部件所采取的組裝方式也很重要。合適、先進的組裝方式可以顯著提高質量、可靠性和安全性。此外,在現代離心壓縮機中,先進的焊接技術和螺栓把緊技術也扮演著重要角色。而使用液壓拉緊、超級螺母等方法,可以使得裝配和拆卸部件更方便,且使各部件間的搭配更為靈活。

  在獲得流道幾何尺寸的精確性和高質量的表面光潔度時,機殼也可以使用組裝(焊接)型式??梢醞ü購富蚱淥ひ綻唇邢嘍勻菀椎男蘩?,同時,鑄鋼機殼也會比鑄鐵機殼先進一些。

1.4  分析技術

  分析技術的進步是改善離心壓縮機空氣動力學過程中很重要的一部分,計算機技術在其中起到了直接的作用。隨著計算機技術的發展,人們可以在較短時間內進行更復雜的數學計算,從而能對單個部件或整個壓縮機進行更逼真的模型分析。

1.4.1 一維方法

  最常見的一維模型是利用“速度三角形”原理。各種基于歐拉方程、伯努利方程、能量方程、角動量方程和其它經驗性的模型公式,被用來解決離心機中不同關鍵部位的子午面方向、切向、相對速度和氣流角等問題。這些公式都主要關注在各部件的氣流進、出區域,而對中間過程知之甚少。雖然現在人們大多只是用它們來進行一些基本尺寸計算,但它們卻是早期透平機械設計者可以使用的唯一方法。

  在 20 世紀 50 年代早中期,所有設計均使用一維方法進行的,所使用的工具只有計算尺、鉛筆、圓規、量角器、圖板、白紙以及人類的創造力和智力。盡管當時缺乏先進的計算機和分析程序,人們還是設計了一些非常優秀的壓縮機,其中對于軍用飛機引擎的開發在這個過程中起到了關鍵作用。另外,必須反復進行設計 - 試驗,直到試出一個能夠達到性能要求的配置。這雖然不是開發壓縮機的有效方法,但卻是當時唯一可以使用的方法。

1.4.2 二維方法

  二維方法在 20 世紀 50 年代末期開始被商業化應用,成為設計師開發和分析部件的空氣動力學更為先進的一種手段。與一維方法不同,二維方法可以考慮到整個流道的邊界條件,包括軸盤和輪蓋的輪廓、葉片或導葉的角度和厚度等。

  大多的二維方法使用流線曲率法。使用流線曲率準則可以將流道分成相同的質量流量的流管,見圖 11 。通過子午面(或軸盤 - 輪蓋)邊界的當地曲率和通過流管的質量流量來計算速度。一些準則對于葉片至葉片方向的曲率的變化同樣敏感。

  可以根據不同的二維流線曲率準則,調整相應的建模參數。其中包括:從進口到出口的計算基點(近似正交直線)的數量、流道分解成流管的數量、損失分布、與幾何特性相符的曲線及與回歸結果的容差。

1.4.3 三維方法

  三維計算流體力學( CFD )是用來計算空氣動力學的最精確的分析技術。它在 20 世紀 80 年代末期開始廣泛應用于工業壓縮機產業中,為人們了解旋轉葉輪和固定部件及其相互影響提供了大跨步的技術飛躍。

  三維計算流體力學利用計算網格將流道分解成很小的多面體,從而使空氣動力學分析可以象有限元分析那樣進行。因此,這種方法比其它任何方法,更能反映空氣動力學部件的尺寸形狀的所有特征,并提供了流體物理現象的更加全面的模擬近似。且由于能識別流場中不良位置并可以將其消除或減小,故此可以獲得優秀的性能。

  早期計算流體力學由于受到計算時間的限制,主要用于計算單個部件,尤其是葉輪。但是到 20 世紀 90 年代的中后期,隨著更先進的分析方法和計算機的出現,人們可以對包含多個部件的計算區域進行計算,甚至能進行非穩定分析,評估瞬時或隨時間變化的流量、壓力或溫度波動如何影響部件或級的性能。這些分析方法是最接近壓縮機中真實流體物理現象的。

2  轉子動力學

2.1 無阻尼臨界轉速分析

  在 20 世紀 40 年代中期, Myklestad 開發了應用于飛機機翼和其它梁式結構的一種新的非耦合彎曲振動計算方法。一年后, Prohl 開發了一種柔性轉子臨界轉速的通用計算方法。二者組成了 Myklested-Phohl 方法的基礎,這種方法就是直到今天還廣泛應用的無阻尼臨界轉速圖譜分析的一種轉換矩陣方案。就像空氣動力學專家使用一維方法開始分析一個新葉輪的設計一樣,轉子動力學分析也是使用無阻尼臨界轉速圖譜來確定軸承支撐系統的轉子自然頻率的。無阻尼臨界轉速的計算程序通過輸入的轉子幾何形狀,并根據對稱軸承剛度系數,來生成無阻尼周期同步臨界轉速,見圖 12 。從 20 世紀 40 年代到 60 年代,一階臨界轉速( NC1 )一直使用手工計算,并使其避開壓縮機的運行速度范圍。隨著計算機技術的飛速發展和對徑向軸承系數認識的深入,軸承系數可以在無阻尼臨界轉速圖譜上被準確地考慮進去,從而修正臨界轉速的位置,來滿足機組運行的要求。

  在試車臺或現場,通?;嵩謚岢醒垢巧鮮⒎胖靡桓鲇脖?。如果硬幣不振動得掉下,壓縮機會被認定為在“穩定的運行”。而現在已經使用由渦流趨近探頭和先進的數據收集系統組成的振動檢測技術。不過,有時技術人員在現場還會使用硬幣檢測法來辨別機器是否正在穩定運行。

2.2 同步不平衡響應

  在 1965 年 5 月, J. W. Lund 發表了為美國空軍航空推進實驗室準備的報告,報告第五部分記錄了一個可以用于確定處在流體膜軸承上的轉子的不平衡響應的計算機程序及其分析基礎。再加上確定油膜剛度的和阻尼的軸承計算程序和密封計算程序,使得對于轉子的分析更為透徹。這些方法的基本核心理論至今仍被使用,并成為現在更為先進的有限元分析方法的一部分。

  設計師通過在轉子上外加不平衡質量,來計算轉子對不平衡的響應、一階臨界轉速和放大系數。此外,可以通過計算得出對不平衡的敏感度,并將其與壓縮機制造商的試驗和現場經驗進行對比。

2.3 轉子穩定性分析

  在 20 世紀 70 年代早期,一些高壓注氣壓縮機和合成氣壓縮機上出現了一系列的穩定性問題。 1974 年, Lund 發表了一篇關于轉子穩定性分析的突破性的文章,隨后根據這篇文章的理論開發出相應的計算程序。 Lund 的橫向穩定性程序被用來分析在一階自然頻率時的不穩定性問題和設計出抗非同步振動的離心壓縮機,即人們常說的 Lund (倫德)分析。

  轉子動力學穩定性使人們對對數衰減的認識更加深刻。一個系統的對數衰減可以表現為一定時間范圍內振幅峰值的連續變化。如果振幅隨著時間的變化而減小則對數衰減為正,相反,若增大則對數衰減為負,見圖 13 。轉子穩定性程序還可用于分析流力油膜軸承可能出現的油膜渦動問題。

2.4 液力油膜軸承

  20 世紀七八十年代,轉子的不穩定性原因有時很難被量化。當轉子高速旋轉時,并在第一向前渦動模式表現出不穩定性,那么一定是單純的轉子不穩定性的問題。如果非同步振動隨著轉速變化,或沒有出現在一階臨界轉速附近,那么這就可能是外加激勵、空氣動力失速、軸承渦動 / 振蕩。液力油膜軸承已經在離心壓縮機上使用了幾十年,在趨近式探頭、數據采集系統和轉子穩定性原理出現之前,設計師當時只能將一臺機組簡單地分為“平穩”或“惡劣”運行。而如果一臺機組被定義為“惡劣”運行,人們也不知道實際的原因是什么??贍蓯且喚琢俳繾?、軸承問題或是不平衡量超標。

  隨著液力軸承技術的發展,設計師開始考慮如何優化滑動套筒軸承。一般來說,滑動套筒軸承有著較大的承載能力,不過對轉子動力學穩定性不利,甚至可能直接引起這方面的問題。在 20 世紀六七十年代,油膜渦動在其沒有引起不穩定的力之前,用于確定軸承的最大允許運行轉速。共振振蕩是用于形容在一階固有頻率時所發生的其它不穩定的頻率。在那個時期,設計師通過改變徑向軸承的內孔形狀,增加軸承不穩定的起始速度,來控制油膜渦動和振蕩(見圖 14 )。不同的形狀,如三、四個軸向槽的軸承、橢圓或檸檬狀軸承、偏移軸承和壓力壩軸承,均可以改善轉子穩定的起始速度。為了達到這個目的,必須犧牲一些軸承承載能力或同步不平衡響應能力(見圖 15 )。四油楔固定瓦軸承的出現進一步改善了轉子的穩定性,它利用對固定型面的曲面進行稍大直徑的切割,來獲取軸承預載荷。

  盡管米歇爾在 1905 年和艾伯特 - 金斯伯雷在 1907 年分別發明了可傾瓦推力軸承(圖 16 ),但是可傾瓦徑向軸承直到 20 世紀 60 年代末期才開始被大量使用。已知最早的壓縮機制造商使用可傾瓦徑向軸承是 1964 年的一個直徑 63.5mm 的沃喀莎( Waukesha )軸承??汕閫咧岢斜裙潭ㄍ咧岢兇蠲饗緣撓攀剖?,它可以通過軸承中的可動的瓦塊,來減少油膜交叉耦合剛度,從而增加了轉子的穩定性。

圖16 可傾瓦軸承

  最早可以進行可傾瓦軸承分析的程序源于倫德的開創性的論文。這個程序利用瓦塊組裝方法來將單個瓦塊的同步剛度和阻尼系數組合成整體來進行分析。現在,人們常用的分析可傾瓦軸承的程序是由尼古拉斯開發的??汕閫咧岢幸丫晌吞烊黃幸抵欣胄難顧躉畛S玫囊毫χ岢?。從使用的經驗來看,可傾瓦軸承可以在小載荷時線速度達到 174m/s ( 570ft/s ),在中等線速度時載荷達到 5434kPa ( 775PSI )。盡管如此,人們還在不懈地追尋新的解決方案、開發新一代的軸承。

  在 20 世紀 70 年代末期到 80 年代早期,天然氣管線輸送行業要求一種無油潤滑的透平機械方案,磁力軸承開始被應用在石油天然氣市場中。在 20 世紀 90 年代,磁力軸承被用于制造全封閉無油潤滑壓縮機。最終,研究人員開發了一種利用磁力軸承來有目的地增加施加于轉子上的一定的擾動力的方法,使用這種方法來進行對數衰減的測量。

2.5 壓縮機主密封

  多年以來壓縮機主密封已經得到了重大的發展。在 20 世紀 10 年代,離心壓縮機通常用來壓縮空氣,提供給高爐用于助燃。這些空氣壓縮機的主密封都是鋁密封,鋁密封必然會使得部分空氣泄漏到大氣中。當時能源相對廉價,被泄漏的壓縮后的空氣沒有引起人們的足夠重視。隨后的幾十年中,離心壓縮機開始被用于壓縮甲烷( CH4 )和其它可燃性氣體,再也不能允許對大氣有泄漏了。

  應用于高壓天然氣領域的壓縮機主密封最初使用油膜密封。記錄顯示油膜密封(圖 17 )從 20 世紀 50 年代開始使用。這些密封利用高于壓縮機入口壓力的密封油,來防止爆炸性氣體泄漏到大氣中。不過油膜密封也同時帶來了至少兩個問題。第一,如果被壓縮的工藝氣中含有酸性介質(酸性氣體是指氣體中含有任何酸性組分,如硫化氫( H2S )等),那么與工藝氣接觸的密封油就可能被污染(酸化),這就需要處理被污染的密封油;第二,隨著密封壓力的增高,就必須考慮油膜密封所產生的剛度和阻尼系數的影響,但是直到 20 世紀 70 年代末、 80 年代初,一些壓縮機制造商的公開文獻上才有記載對這些方面的研究,及在高壓運行時它們對轉子振動特性(穩定性)的影響。在 20 世紀 70 年代早期,德萊賽蘭公司開發并生產一種帶可傾瓦的油膜密封??汕閫哂湍っ芊飪梢約蟾納蒲顧躉奈榷ㄐ?。

  今天那些仍在使用的油膜密封大多只是被進行著改造或維修。現在差不多所有新安裝在石油天然氣行業中的壓縮機都配備干氣密封( DGS )。德萊賽蘭公司使用的第一個干氣密封是在 1962 年的一臺單軸懸臂壓縮機上。從那時起,干氣密封制造商開始努力獲得市場認可。今天,行業中普遍使用串聯式干氣密封,其第一級密封面幾乎承擔全部的壓力差,而第二級密封面基本沒有或很少承擔壓力差。隨著技術和材料等方面的發展,干氣密封的密封壓力的能力持續提高,來滿足當前對高壓應用的要求。最近密封實際運行經驗為 250 bar ( 3625 PSI )壓力差,實驗室經驗為 400 bar ( 5800 PSI )。不過,由于在轉子上額外增加了一個旋轉質量,干氣密封對轉子動力學不利。有意思的是,在進行轉子動力學分析時,又因為干氣密封的密封面是垂直于軸線,密封面處在半徑方向的剛度和阻尼等參數是可以忽略不計的。

2.6  內部密封

  隨著轉速、功率和氣體密度的增加,對離心壓縮機各種內部的力的控制程度的不同,當氣體密度增加時,可以使一個轉子變得不穩定或者變得穩定。

  幾十年來,密封葉輪周圍的泄漏普遍使用梳齒密封,最近用于葉輪口圈和平衡盤的止渦密封(見圖 18 )的出現顯著提高了轉子動力學特性。巧妙的固定葉片狀結構的設計,可以控制泄漏氣體通過密封處的周向速度,來減少密封處所形成的交叉耦合剛度。止渦密封還可以起到改變阻尼的效果(阻尼密封)。

  阻尼密封通常有兩種型式:蜂窩狀和孔狀(圖 19 )。無論哪種型式,它們都可以提供更多的直接阻尼,而只帶來很少的交叉耦合剛度,從而改善轉子動力學系統的穩定性。研究者已經完成了大量的實驗室實踐,并能夠計算出準確的泄漏、剛度和阻尼等參數。據此,壓縮機制造商利用配備磁力軸承的全負荷、全壓力試驗,施加給定的非同步力,來證明通過控制轉子上的各種力,可以使得轉子在轉速、功率和氣體密度增加時變得更穩定。從 1974 年發生在北海的著名的 Ekofisk 轉子不穩定事件以來,人們對于施加于轉子的各種力的探索越來越深入。

2.7 葉輪分析

  結構動力學也一直在進步,其中一個重要方面就是葉輪動力學,它使得機器可靠性得到顯著提高。早期,設計者必須進行大量而簡單的手工計算來求出葉輪應力,并確定葉輪材料沒有到其屈服極限,葉輪也不會在軸上滑動(過盈過小時)。那時葉輪外緣速度只有現在最先進技術的一半左右,這樣做還是可以的。隨著有限元分析( FEA )和計算機技術的發展,越來越精確的有限元分析模型,能夠使人們更好地估計因旋轉而施加在轉子上的應力。不過,壓縮機的用戶有時偶爾還會遇到一些葉輪方面的事故,其中大多數是葉輪工作時周圍存在共振,從而產生高循環疲勞裂紋。今天,人們利用同樣可以用于轉子上的,已經開發了近四十年的數學模型和受迫響應等手段來進行葉輪分析。

  隨著對葉輪固有頻率,及由入口導葉( IGVs )與低稠度葉片擴壓器( LSDs )引起的氣動力的深入了解,近年來已經大幅地減少了葉輪引起的事故。

3  展望未來

  離心壓縮機技術已經接近空氣動力學效率的最高極限,但人們還是可以設法進一步提高效率,并增大高效率時的流量范圍。因此,在展望未來的發展時,人們可以預測以下方面:更加精確的葉片型線;更加不同尋常的擴壓器;可動形狀的導流葉片、擴壓器和回流器;進一步改進的密封技術;和其它一些定子部件的增強。所有這些均要借助于更先進的空氣動力學和機械分析工具,及計算機技術對真實情況所進行更加精確的模擬。

  更加精確的葉片型線包括那些為了解決使用分析技術所發現的缺點而專門開發的葉片。此外,由于用戶一直要求用較小的設備處理較大的流量,壓縮機制造商必須開發混流葉輪?;熗饕堵衷惴菏褂迷詰ゼ豆芟咴鲅夠?,但是目前在單軸多級壓縮機上應用不多。它較為適合使用在流量系數大于 0.17~0.18 的離心壓縮機中。

  更加不同尋常的擴壓器將包括那些更精確的葉片型線和串聯擴壓器,例如:多排低稠度葉片擴壓器,或低稠度葉片擴壓器和拱肋擴壓器的結合體。它們將提高擴壓器中的靜壓轉換能力,從而提高單級和整機效率。不過,考慮效率提高的同時,還必須衡量可能引起的運行范圍變窄的問題。

  提高密封技術對于小流量系數的級尤為重要。葉輪口圈部位的泄漏會造成很大的損失,所以必須想方設法減少此處的泄漏,來提高級效率。在小流量中,可能應用的技術有:刷式密封、可磨材料、彈簧預載密封和“定向泄漏”等。

  在外部密封方面,壓縮機下一步可能演變成無密封或全密封壓縮機,它們將沒有高速旋轉的主軸密封與外界大氣相通。這樣的機器實際上與我們常見的家用冰箱中的壓縮機極為相似。幾乎所有的壓縮機制造商都向市場推出了這種新型產品類型。隨著人們對排放的關心的增加,這種新型壓縮機將會在石油天然氣行業中得到越來越多的認可。

  定子部件,如進口導葉和回流器,將會有更先進的葉片型線(如三維的葉片式擴壓器和三維的回流器葉片)和通過現代分析和設計工具開發的多葉片排列結構。

  最后,在導葉、擴壓器和其它定子部件中應用可變形狀結構,壓縮機制造商和用戶可以通過調整離心級來滿足特定的使用要求。因此,當無法提高壓縮機的最高效率時,人們可能設法提高非設計運行工況的效率。這樣機器可以在較大流量范圍中,能夠使用戶節省大量的功率。由于可變形狀結構可以很方便地安裝在整體齒輪增速離心壓縮機和軸流壓縮機的入口導葉和擴壓器中,所以它已經應用在這些機器中。因為同樣的原因,可變形狀結構從 20 世紀 50 年代起也應用在多級雙支撐離心壓縮機的第一級入口導葉和葉片擴壓器中。然而,只是最近才考慮在雙支撐配置機器的所有級中使用可變形狀結構,見圖 20 。盡管在多級機器的有限的級間空間中增加可變形狀結構系統是非常復雜的,不過由于它可以大幅提高性能,還是十分值得去探索、實現的。

4  結論

  離心壓縮機的設計、制造技術已經取得了非常大的進步,其中許多是得益于在設計階段使用的分析工具的改變。如果無法將設計師的成果轉化成合格的產品,使用再精確的分析方法也是徒勞的。所以,離心壓縮機性能的提高絕對離不開制造方法的進步。如若制造方法不能確保加工精度達到一位小數,那么就沒有意義將一個新部件設計要求到三位小數。因此,用五軸銑制替代三件焊接、用組裝加工方式替代鑄造等方法,使得人們可以制造出更高質量的部件,也就獲得了更高的性能。

  離心壓縮機的發展不會停止。隨著不斷地提高能量利用效率,人們還會取得各種各樣的進步。原始設備制造商們還會不懈努力來獲得更高的性能,和 / (或)更寬的使用范圍??梢勻沸諾氖?,我們一定可以在未來看到離心壓縮機不停地在進步。