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离心式压缩机的全面发展史

历史上第一台工业上用离心压缩机是在人类迈入 20 世纪时与早期的燃气轮机一同出现的。其中一些工作是由发明第一台燃气轮机的 Elling 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(OEM)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。虽然在功能上相同,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,还是有很大的不同。

  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,这种看法最初并不被认同。

  在离心压缩机发展的初期阶段,设计水平在一定程度上受到了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有限的几种方法,包括机械加工(即车削、三轴铣制)、联接(即焊接、铆接)和铸造。

  机械加工技术当时只有车削和三轴铣制。这两种方法只能加工非常简单的二维型线,并被应用在大多数离心压缩机上,但是无法满足大流量和(或)高马赫数的要求。设备制造商必须使用焊接或铸造,来制造应用在较高流量场合的更复杂的型线。事实上,直到 20 世纪 50 年代末、 60 年代初,焊接叶轮还没有被大量的使用。因此,早期离心压缩机的叶轮主要是铸造或者是铆接的。一些最早期的铆接叶轮可以追溯到 20 世纪 20 年代。

  同样,定子部件也是焊接或铸造的。由于当部件相同时,重复铸造可以降低成本;当时提高性能不是考核的关键,大多数设备制造商倾向于使用铸造方法。压缩机机壳使用铸件的方式,直到 20 世纪 50 年代还较为普遍。不过铸造部件表面粗糙的特性,决定了在使用它的时候,必须牺牲一些空气动力学性能,但是并不阻碍它可以大量被应用在工艺压缩机中。当时甚至整个通流部分均可以由铸件组成。之后,通流部分部件开始较少使用铸件,而是用焊接、螺栓连接、或铆接的型式来制造。

  在这些早期压缩机中,其主要性能指标只是简单地压缩气体,能量消耗不是主要考核点。随着高能耗所造成的高成本和设备制造商们的竞争升级,越来越有必要开发高性能的离心压缩机。

  过去60年来 , 压缩机最高效率的发展过程见图 1 。图中曲线表示流量系数φ大于 0.080 的离心压缩机基本级。当基本级流量系数较小时,由于各种损失的影响,其最高效率相对较低。从图中可以看出,在 20 世纪 50 年代的最高效率大多分布在 70%~75% 。那时的能源相对丰富,没有人在意性能相对低的离心压缩机。但是随着 20 世纪 70 年代中期能源危机的爆发,用户与压缩机制造商开始注重降低能量消耗,使得原动机和压缩机的性能大大提高,压缩机效率达到了80%~85% 。在90年代和本世纪初,效率得到进一步发展,可以接近 90% 。但是多级离心压缩机工业正在逼近由 90%~92% 的理论多变效率决定的效率极限。因此,想要设计出效率高于 92% 的多级工艺离心压缩机几乎是不可能的。显然,牛顿定律和热力学定律就决定了压缩机不可能达到100%的效率。此外,还有一些基本损失(即二次流、边界效应、泄漏、气流角度偏差、轴承磨擦等)在基本级中是不可避免的。这些基本损失会将多级离心压缩机的效率限制在90%~92%。

  对比最初的几十年发展阶段,最近十几年来效率的提高幅度相对较小,显然这是由于效率已经被提高至趋于极限,即使大量的投入也很难取得显著提高。未来的提高方向可以有下列几种:( a )考虑从前被认为是次要的、忽略的性能影响因素,如泄漏通道;( b )开发更先进的空气动力学零部件;( c )融合轴流和离心技术。通过这些方法可能获得更高的级或整机效率,但是可能要牺牲一些流量范围。虽然现在所谓的理论效率极限也有可能被打破,不过可以预见,在未来十年的发展中,效率的提高不会像从前有 5% 或 10% 的提高,而只能是 0.1% , 0.5% 或 1% 逐渐地提高了。

1 空气动力学

  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。所有这些部件均伴随着制造和分析方法的提高而得到了优化。下面按照它们对性能影响的重要性的顺序,从高到低地对这些部件进行详细探讨。

1.1  叶轮

  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。

  当叶轮的流量系数较大时(φ>0.040 ),叶轮的叶片进口角必须贴近非均匀分布的进口气流角才能获得较好的性能。阐述如下:

  大流量系数的级,叶轮进口处的圆周速度和子午面速度的分布变化很大,从而使叶轮进口处从轮盖到轴盘分布的接近角的变化很大见图3。圆周速度 U1x )是一个由不同位置的直径所决定的参数,即大流量系数的级中,从轮盖到轴盘,直径逐渐变大,故此, U1S 要比 U1H 大很多。

  此外,叶片前缘的当地曲率从轮盖到轴盘方向也在变化。子午面速度( Cmx )由当地的曲率所决定,所以 C1S 要大于 C1MC1H[4] 。由于 U1xC1x 的变化,从轮盖到轴盘方向的气流接近角也发生变化。为了使得这些角度能相互接近,就必须使接近角在前缘的变化是三维结构。

  因为用户不断要求处理更大的流量,众多压缩机制造商也曾经在大流量系数时使用了二维叶片,但是二维型线不能适应大流量时较大的气流进口角,这些压缩机的性能均不是很好。

  随着对风机性能要求的不断提高,必须找出方法来制造三维叶片。早期的解决方案是铸造或三件组装(焊接或铆接)。使用铸造时,假若前缘角度可以满足进口安装角的要求,那么三维型线可以通过复杂的模具铸造出来;三件组装中所谓的“三件”就是轮盖、轴盘和一定数量的叶片。最初的三维设计,叶片型线是由锥体、圆柱体和圆环体组成的,这些均可以用轧制或冲压来取得。但是,这些型线虽然改善了安装角,但在整个叶轮流道中还是不精确。越是要求复杂的型线,那么型线就好像是可以任意变化的。由于型线不再是普通的几何形状那样可以简单复制,所以被称为自由型线。自由型线是由空间或网格中的直线元素构成的,这就需要大量的几何体生成软件模块。其中晚期的软件模块至今仍在使用。

  叶片由模锻或者其它成型方法加工后,再将其与一个用于检查的模块进行对比,来确定其型线是正确的。不过由于弹性变形的存在,叶片还是会与想要得到的型线有偏差。叶片随后与轮盖和轴盘进行焊接或铆接,就形成了叶轮,见图4 。简单或是复杂的各种固定叶片的工具被开发出来,用于减少叶片与叶片之间的位置变化。这些相对位置变化在铆接叶轮中一般较小,而在焊接叶轮中因焊接及随后的热处理而较大。此外,焊接叶轮必须用喷砂来去除焊渣或焊后热处理时所形成的氧化层,来使表面可以进行着色或者磁粉等无损探伤。但是喷砂会降低表面光洁度,而使得叶轮还要被打磨、抛光或是研磨来达到所要求的光洁度。

  对叶片型线的精确性及表面光洁度的担心,随着五轴铣制的出现而均被解决了。叶片从此不再采用模锻,而是可以用侧铣或点铣的方式,直接在一个盘型锻件上来铣制出来。叶片可以铣制在轴盘(或轮盖),从而减少了一些焊接量。当然,铣制出来的叶片型线要比先前三件组装(焊接或铆接)的要精确的多。叶片与叶片间的更均匀的空间间隔,就可以获得更好的空气动力学性能。

  近些年来,制造商开始用一个锻件来加工出整体的闭式叶轮,而不再需要对叶片、轴盘和轮盖进行焊接。每个叶轮流道都是从内侧和外侧伸入后铣制出来的,内侧铣和外侧铣在流道接近中间处会合。这种“无联接”结构比任何一种焊接或钎焊的结合强度都好。但很多场合,单件铣制还因其其特性而受到局限。伸入铣制时,在一些流道部位,如果使用通用铣刀是无法到达的。因此,开发了专用的“棒棒糖”铣刀,以便加工到难以到达的流道部位,见图 5 。所以,使用铣刀铣制窄流道时,其长径比是有一定限制的。因此,单件铣制一般用于加工大直径、大流量系数的叶轮,即φ>0.040 , D 2>381mm 。

  对于设备制造商,制造小流量系数的级也是艰巨的挑战。这些级在注气、合成气等领域是非常重要的。由于流量小,所以必须开发流道非常窄且精确制造的叶轮。角焊缝一般应用在出口宽度 15mm 以上,并不能在窄流道时使用。

  铆接在早期有所应用,但是随着运行速度及其引起的高应力的增加,而逐渐被淘汰。代替它的是钎焊和开槽焊,但它们在使用上都有一定的局限性。如果钎焊厚度较大,叶片与其联接的部件(轴盘或轮盖)的间隙就大,这样就会造成钎焊的联接强度较差。钎焊一般的使用在 0.025mm~0.075mm 的间隙。开槽焊会比钎焊的联接强度好一些,但是其轴盘(或轮盖)的母材与叶片的母材是熔融的,从而容易造成流道变形,这就使得流道宽度比预想的有所偏差,一般都会降低叶轮的性能。虽然钎焊时没有金属熔融,而是一种近似的“机械锁定”,对流道宽度控制较好,但是其联接强度还是较低。

  为了解决以上问题,制造商开始尝试使用一种原来由飞机工业中发展而来的电子束焊接工艺。使用电子束焊接时,叶片及与其焊接的母材,虽然是与钎焊具有“机械锁定”相同的特性,但都不是熔融的,所以流道宽度的精度较高。在 20 世纪 90 年代初,开发出一种 EBrazeTM 焊接的专利电子束焊接技术,它使用一种兼具电子束焊接和钎焊的方法将轮盖(或轴盘)与叶片焊接起来。该方法解决了传统电子束焊接未熔融部位应力较大的问题,从而提高了联接的疲劳强度。通过使用各种形式的电子束焊接,可以制造出更精确、更坚固的小流量系数的叶轮。

  其它制造小流量系数的叶轮的方法还有电火花加工( EDM )和电化学加工( ECM ),它们也可以用一个完整锻件来加工出小流量系数的叶轮。不过,这些方法均要求在设计小流量系数的叶轮时,就要考虑所有需要加工的部位均可以实际加工到。

  二维叶型可以使得流道很窄,这样从轴盘到轮盖分布的气流角差异很小。因此,小流量系数的叶轮基本都使用二维叶型。

1.2 扩压器

  扩压器将叶轮压缩过的气体中的一部分动能(动压)转换到静压(势能),并降低了气体的容积流量。

  离心压缩机的扩压器分:无叶扩压器和叶片扩压器。顾名思义,无叶扩压器中没有叶片;而叶片扩压器中配有叶片。通常,由于扩压器没有叶片,气流流过时就不会与叶片相互干涉,故使用无叶扩压器的压缩机的运行工况会很宽。但是,无叶扩压器不能像叶片扩压器那样可以把较多的动能转化为所需的压力能,因此,使用叶片扩压器的级会比使用无叶扩压器的级效率更高,见图6。

  早期的离心压缩机设计较为简单,其大部分使用无叶扩压器。通过简单的车削就可以加工出组成扩压器的平行或楔形的两壁,而且车削加工可以达到高性能无叶扩压器所需要的表面光洁度。但是,有限的最高静压转化能力(一般低于 50% )限制了无叶扩压器所能取得的最高效率。

  一些工艺压缩机制造商尝试使用槽形扩压器,它是得名于其两个相邻的扩压器叶片组成了像槽形的流道,见图7。该扩压器可以达到很高的静压转化能力(CP,在75%~80%)。不过,槽形扩压器也会降低大多数压缩机所必需的较宽的运行范围。因此,槽形扩压器很少在工艺气压缩机中使用,而是在空气压缩机、燃汽轮机中燃气发生器压缩机或涡轮增压器这些不需较宽运行范围的设备上应用较多。直到20世纪80年代,无叶扩压器被广泛使用在工业压缩机中。之后,一些设备制造商开始使用低稠度叶片扩压器(LSD)。与槽形扩压器不同,低稠度叶片扩压器并没有所谓的槽形,也没有真正的几何形状的喉部,见图8。其主要优点是其提供了几乎与无叶扩压器相当的运行范围,和比无叶扩压器高得多的静压转化能力(即更高的级效率)。但是,效率的提高一般体现在中、小流量系数的级,即φ<0.080 ;特别是小流量系数,φ≤ 0.030 时更为显著。

  近期,有些设备制造商重新使用拱肋扩压器——一种特殊的低稠度叶片扩压器,它的叶片宽度要短于扩压器宽度,见图9。这种扩压器最初开发于20世纪70年代中后期,不过在当时并没有得到认可。只能在一定流量系数范围内大幅提高效率。

1.3  其它部件(进口导叶、回流器、出口涡室、进口涡室、旁流和机壳)

  早期的定子部件大多是铸件,所以它们可能出现偏心、叶片厚度偏差和表面粗糙等缺点,引起过多的损失和不确定的预期性能。

  为了减少铸造模具数量、提高铸造精度,在铸造机壳中的弯道或过渡段结构时,会引起一些如扩压器和弯道的流道不对齐等问题。由于弯道(大半径,截面近似半圆形)铸造在机壳中,它的位置和尺寸就确定了。而隔板中的叶盘(小半径,截面近似半圆形)是单独加工的,不可能与这个特定位置与尺寸的弯道照配,这样就会出现如图 10 所示的不对齐问题,从而降低效率,且此处成为形成旋转失速流场的位置。

  为了解决此类问题,压缩机制造商开始制造具有稳定流场流道的部件。由于早期加工方式的限制,只有回流器叶片可以用三轴铣制。随着大型五轴铣制的出现,进口涡室和出口涡室等复杂部件就可以较为精确地制造了。而且预旋进口导叶也可以用五轴铣制来加工。直到 2000 年,压缩机制造商才可以制造出全部由组装 / 加工的内部部件组成的离心压缩机,而在 20 世纪 50 年代,所有这些部件还都是铸造的。

  组装这些不同部件所采取的组装方式也很重要。合适、先进的组装方式可以显著提高质量、可靠性和安全性。此外,在现代离心压缩机中,先进的焊接技术和螺栓把紧技术也扮演着重要角色。而使用液压拉紧、超级螺母等方法,可以使得装配和拆卸部件更方便,且使各部件间的搭配更为灵活。

  在获得流道几何尺寸的精确性和高质量的表面光洁度时,机壳也可以使用组装(焊接)型式。可以通过补焊或其它工艺来进行相对容易的修理,同时,铸钢机壳也会比铸铁机壳先进一些。

1.4  分析技术

  分析技术的进步是改善离心压缩机空气动力学过程中很重要的一部分,计算机技术在其中起到了直接的作用。随着计算机技术的发展,人们可以在较短时间内进行更复杂的数学计算,从而能对单个部件或整个压缩机进行更逼真的模型分析。

1.4.1 一维方法

  最常见的一维模型是利用“速度三角形”原理。各种基于欧拉方程、伯努利方程、能量方程、角动量方程和其它经验性的模型公式,被用来解决离心机中不同关键部位的子午面方向、切向、相对速度和气流角等问题。这些公式都主要关注在各部件的气流进、出区域,而对中间过程知之甚少。虽然现在人们大多只是用它们来进行一些基本尺寸计算,但它们却是早期透平机械设计者可以使用的唯一方法。

  在 20 世纪 50 年代早中期,所有设计均使用一维方法进行的,所使用的工具只有计算尺、铅笔、圆规、量角器、图板、白纸以及人类的创造力和智力。尽管当时缺乏先进的计算机和分析程序,人们还是设计了一些非常优秀的压缩机,其中对于军用飞机引擎的开发在这个过程中起到了关键作用。另外,必须反复进行设计 - 试验,直到试出一个能够达到性能要求的配置。这虽然不是开发压缩机的有效方法,但却是当时唯一可以使用的方法。

1.4.2 二维方法

  二维方法在 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。

  大多的二维方法使用流线曲率法。使用流线曲率准则可以将流道分成相同的质量流量的流管,见图 11 。通过子午面(或轴盘 - 轮盖)边界的当地曲率和通过流管的质量流量来计算速度。一些准则对于叶片至叶片方向的曲率的变化同样敏感。

  可以根据不同的二维流线曲率准则,调整相应的建模参数。其中包括:从进口到出口的计算基点(近似正交直线)的数量、流道分解成流管的数量、损失分布、与几何特性相符的曲线及与回归结果的容差。

1.4.3 三维方法

  三维计算流体力学( CFD )是用来计算空气动力学的最精确的分析技术。它在 20 世纪 80 年代末期开始广泛应用于工业压缩机产业中,为人们了解旋转叶轮和固定部件及其相互影响提供了大跨步的技术飞跃。

  三维计算流体力学利用计算网格将流道分解成很小的多面体,从而使空气动力学分析可以象有限元分析那样进行。因此,这种方法比其它任何方法,更能反映空气动力学部件的尺寸形状的所有特征,并提供了流体物理现象的更加全面的模拟近似。且由于能识别流场中不良位置并可以将其消除或减小,故此可以获得优秀的性能。

  早期计算流体力学由于受到计算时间的限制,主要用于计算单个部件,尤其是叶轮。但是到 20 世纪 90 年代的中后期,随着更先进的分析方法和计算机的出现,人们可以对包含多个部件的计算区域进行计算,甚至能进行非稳定分析,评估瞬时或随时间变化的流量、压力或温度波动如何影响部件或级的性能。这些分析方法是最接近压缩机中真实流体物理现象的。

2  转子动力学

2.1 无阻尼临界转速分析

  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。

  在试车台或现场,通常会在轴承压盖上竖立放置一个硬币。如果硬币不振动得掉下,压缩机会被认定为在“稳定的运行”。而现在已经使用由涡流趋近探头和先进的数据收集系统组成的振动检测技术。不过,有时技术人员在现场还会使用硬币检测法来辨别机器是否正在稳定运行。

2.2 同步不平衡响应

  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。这些方法的基本核心理论至今仍被使用,并成为现在更为先进的有限元分析方法的一部分。

  设计师通过在转子上外加不平衡质量,来计算转子对不平衡的响应、一阶临界转速和放大系数。此外,可以通过计算得出对不平衡的敏感度,并将其与压缩机制造商的试验和现场经验进行对比。

2.3 转子稳定性分析

  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。

2.4 液力油膜轴承

  20 世纪七八十年代,转子的不稳定性原因有时很难被量化。当转子高速旋转时,并在第一向前涡动模式表现出不稳定性,那么一定是单纯的转子不稳定性的问题。如果非同步振动随着转速变化,或没有出现在一阶临界转速附近,那么这就可能是外加激励、空气动力失速、轴承涡动 / 振荡。液力油膜轴承已经在离心压缩机上使用了几十年,在趋近式探头、数据采集系统和转子稳定性原理出现之前,设计师当时只能将一台机组简单地分为“平稳”或“恶劣”运行。而如果一台机组被定义为“恶劣”运行,人们也不知道实际的原因是什么。可能是一阶临界转速、轴承问题或是不平衡量超标。

  随着液力轴承技术的发展,设计师开始考虑如何优化滑动套筒轴承。一般来说,滑动套筒轴承有着较大的承载能力,不过对转子动力学稳定性不利,甚至可能直接引起这方面的问题。在 20 世纪六七十年代,油膜涡动在其没有引起不稳定的力之前,用于确定轴承的最大允许运行转速。共振振荡是用于形容在一阶固有频率时所发生的其它不稳定的频率。在那个时期,设计师通过改变径向轴承的内孔形状,增加轴承不稳定的起始速度,来控制油膜涡动和振荡(见图 14 )。不同的形状,如三、四个轴向槽的轴承、椭圆或柠檬状轴承、偏移轴承和压力坝轴承,均可以改善转子稳定的起始速度。为了达到这个目的,必须牺牲一些轴承承载能力或同步不平衡响应能力(见图 15 )。四油楔固定瓦轴承的出现进一步改善了转子的稳定性,它利用对固定型面的曲面进行稍大直径的切割,来获取轴承预载荷。

  尽管米歇尔在 1905 年和艾伯特 - 金斯伯雷在 1907 年分别发明了可倾瓦推力轴承(图 16 ),但是可倾瓦径向轴承直到 20 世纪 60 年代末期才开始被大量使用。已知最早的压缩机制造商使用可倾瓦径向轴承是 1964 年的一个直径 63.5mm 的沃喀莎( Waukesha )轴承。可倾瓦轴承比固定瓦轴承最明显的优势是,它可以通过轴承中的可动的瓦块,来减少油膜交叉耦合刚度,从而增加了转子的稳定性。

图16 可倾瓦轴承

  最早可以进行可倾瓦轴承分析的程序源于伦德的开创性的论文。这个程序利用瓦块组装方法来将单个瓦块的同步刚度和阻尼系数组合成整体来进行分析。现在,人们常用的分析可倾瓦轴承的程序是由尼古拉斯开发的。可倾瓦轴承已经成为石油天然气行业中离心压缩机最常用的液力轴承。从使用的经验来看,可倾瓦轴承可以在小载荷时线速度达到 174m/s ( 570ft/s ),在中等线速度时载荷达到 5434kPa ( 775PSI )。尽管如此,人们还在不懈地追寻新的解决方案、开发新一代的轴承。

  在 20 世纪 70 年代末期到 80 年代早期,天然气管线输送行业要求一种无油润滑的透平机械方案,磁力轴承开始被应用在石油天然气市场中。在 20 世纪 90 年代,磁力轴承被用于制造全封闭无油润滑压缩机。最终,研究人员开发了一种利用磁力轴承来有目的地增加施加于转子上的一定的扰动力的方法,使用这种方法来进行对数衰减的测量。

2.5 压缩机主密封

  多年以来压缩机主密封已经得到了重大的发展。在 20 世纪 10 年代,离心压缩机通常用来压缩空气,提供给高炉用于助燃。这些空气压缩机的主密封都是铝密封,铝密封必然会使得部分空气泄漏到大气中。当时能源相对廉价,被泄漏的压缩后的空气没有引起人们的足够重视。随后的几十年中,离心压缩机开始被用于压缩甲烷( CH4 )和其它可燃性气体,再也不能允许对大气有泄漏了。

  应用于高压天然气领域的压缩机主密封最初使用油膜密封。记录显示油膜密封(图 17 )从 20 世纪 50 年代开始使用。这些密封利用高于压缩机入口压力的密封油,来防止爆炸性气体泄漏到大气中。不过油膜密封也同时带来了至少两个问题。第一,如果被压缩的工艺气中含有酸性介质(酸性气体是指气体中含有任何酸性组分,如硫化氢( H2S )等),那么与工艺气接触的密封油就可能被污染(酸化),这就需要处理被污染的密封油;第二,随着密封压力的增高,就必须考虑油膜密封所产生的刚度和阻尼系数的影响,但是直到 20 世纪 70 年代末、 80 年代初,一些压缩机制造商的公开文献上才有记载对这些方面的研究,及在高压运行时它们对转子振动特性(稳定性)的影响。在 20 世纪 70 年代早期,德莱赛兰公司开发并生产一种带可倾瓦的油膜密封。可倾瓦油膜密封可以极大改善压缩机的稳定性。

  今天那些仍在使用的油膜密封大多只是被进行着改造或维修。现在差不多所有新安装在石油天然气行业中的压缩机都配备干气密封( DGS )。德莱赛兰公司使用的第一个干气密封是在 1962 年的一台单轴悬臂压缩机上。从那时起,干气密封制造商开始努力获得市场认可。今天,行业中普遍使用串联式干气密封,其第一级密封面几乎承担全部的压力差,而第二级密封面基本没有或很少承担压力差。随着技术和材料等方面的发展,干气密封的密封压力的能力持续提高,来满足当前对高压应用的要求。最近密封实际运行经验为 250 bar ( 3625 PSI )压力差,实验室经验为 400 bar ( 5800 PSI )。不过,由于在转子上额外增加了一个旋转质量,干气密封对转子动力学不利。有意思的是,在进行转子动力学分析时,又因为干气密封的密封面是垂直于轴线,密封面处在半径方向的刚度和阻尼等参数是可以忽略不计的。

2.6  内部密封

  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,来减少密封处所形成的交叉耦合刚度。止涡密封还可以起到改变阻尼的效果(阻尼密封)。

  阻尼密封通常有两种型式:蜂窝状和孔状(图 19 )。无论哪种型式,它们都可以提供更多的直接阻尼,而只带来很少的交叉耦合刚度,从而改善转子动力学系统的稳定性。研究者已经完成了大量的实验室实践,并能够计算出准确的泄漏、刚度和阻尼等参数。据此,压缩机制造商利用配备磁力轴承的全负荷、全压力试验,施加给定的非同步力,来证明通过控制转子上的各种力,可以使得转子在转速、功率和气体密度增加时变得更稳定。从 1974 年发生在北海的著名的 Ekofisk 转子不稳定事件以来,人们对于施加于转子的各种力的探索越来越深入。

2.7 叶轮分析

  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。

3  展望未来

  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。所有这些均要借助于更先进的空气动力学和机械分析工具,及计算机技术对真实情况所进行更加精确的模拟。

  更加精确的叶片型线包括那些为了解决使用分析技术所发现的缺点而专门开发的叶片。此外,由于用户一直要求用较小的设备处理较大的流量,压缩机制造商必须开发混流叶轮。混流叶轮曾经广泛使用在单级管线增压机中,但是目前在单轴多级压缩机上应用不多。它较为适合使用在流量系数大于 0.17~0.18 的离心压缩机中。

  更加不同寻常的扩压器将包括那些更精确的叶片型线和串联扩压器,例如:多排低稠度叶片扩压器,或低稠度叶片扩压器和拱肋扩压器的结合体。它们将提高扩压器中的静压转换能力,从而提高单级和整机效率。不过,考虑效率提高的同时,还必须衡量可能引起的运行范围变窄的问题。

  提高密封技术对于小流量系数的级尤为重要。叶轮口圈部位的泄漏会造成很大的损失,所以必须想方设法减少此处的泄漏,来提高级效率。在小流量中,可能应用的技术有:刷式密封、可磨材料、弹簧预载密封和“定向泄漏”等。

  在外部密封方面,压缩机下一步可能演变成无密封或全密封压缩机,它们将没有高速旋转的主轴密封与外界大气相通。这样的机器实际上与我们常见的家用冰箱中的压缩机极为相似。几乎所有的压缩机制造商都向市场推出了这种新型产品类型。随着人们对排放的关心的增加,这种新型压缩机将会在石油天然气行业中得到越来越多的认可。

  定子部件,如进口导叶和回流器,将会有更先进的叶片型线(如三维的叶片式扩压器和三维的回流器叶片)和通过现代分析和设计工具开发的多叶片排列结构。

  最后,在导叶、扩压器和其它定子部件中应用可变形状结构,压缩机制造商和用户可以通过调整离心级来满足特定的使用要求。因此,当无法提高压缩机的最高效率时,人们可能设法提高非设计运行工况的效率。这样机器可以在较大流量范围中,能够使用户节省大量的功率。由于可变形状结构可以很方便地安装在整体齿轮增速离心压缩机和轴流压缩机的入口导叶和扩压器中,所以它已经应用在这些机器中。因为同样的原因,可变形状结构从 20 世纪 50 年代起也应用在多级双支撑离心压缩机的第一级入口导叶和叶片扩压器中。然而,只是最近才考虑在双支撑配置机器的所有级中使用可变形状结构,见图 20 。尽管在多级机器的有限的级间空间中增加可变形状结构系统是非常复杂的,不过由于它可以大幅提高性能,还是十分值得去探索、实现的。

4  结论

  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。