离心压缩机是提供压缩气体的设备之一, 与其他压缩气体的提供设备相比, 离心压缩机在流量、压力、效率和维护等方面有着整体的综合优势, 在工业生产中有着越来越广泛的应用。特别是在重大化工装置、气体输送和液化等领域, 离心压缩机更是最关键的核心装备之一。离心压缩机的研发和制造水平也成为体现国家装备制造业综合实力和水平的一个重要标志。1
离心压缩机有着悠久的发展历史。1689年, 法国的D.帕潘发明了4叶片叶轮的蜗壳离心泵, 最早提出了离心式叶轮机械的设计方法。自此以后, 离心式叶轮机械开始逐渐的得以发展。到了19世纪, 离心式压缩机的设计方法得到进一步完善。莱昂哈德·欧拉建立了叶轮机械中的基本能量方程, 法国工程师卡诺指出流体在叶轮进口处应光滑顺利的流入叶轮 (即零攻角状态) , 他还指出为了获得高效率应减小流体在叶轮出口动能。在离心压缩机中, 也逐渐开始使用有叶扩压器。
20世纪至今是离心压缩机技术的高速发展时代, 产生了对离心压缩机发展具有划时代意义的理论和方法, 使得离心压缩机在全世界范围内得到了更为广泛的应用和发展。离心压缩机内的流场是三维、粘性、非定常、湍流流场, 在计算机技术尚未得到发展的当时, 无法直接对其进行数学求解, 离心压缩机的设计也仅能采用几何设计或二维气动设计方法。20世纪50年代, 我国著名科学家吴仲华提出了对离心压缩机发展具有划时代意义的两簇流面理论, 奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础。他首先提出叶轮机械叶片通道内的三元流动可以看作是两类相交的流面 (S1、S2流面, S1流面为是从一个叶片到相邻叶片之间的周向扭曲流面, S2流面是从轮毂导轮盖的径向扭曲流面) 之和, 这样就可以把一个复杂的三元问题转化为两个二元问题, 从而使计算得到很大的简化。从此, 离心压缩机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气动设计方法转变。
离心压缩机根据结构特性, 大体上可分为单轴式离心压缩机和整体齿轮式离心压缩机两类。
单轴式离心压缩机的发展已经有了长达一个多世纪的历史, 是离心压缩机的基本结构形式, 并且最早出现的离心压缩机型式。1899年, 法国的奥古斯特·拉多发明了第一台离心压缩机, 于1905年开发了一台具有5级叶轮的单轴离心压缩机, 并应用于当时的钢铁厂。1906年, 瑞士的布朗·博瑞里利用拉多的专利技术, 开发了三缸串联式单轴离心压缩机, 排气压力达到0.45MPa, 流量达到3600m3/min, 转速为4000r/min, 用于给燃机提供压缩空气。
单轴离心压缩机又依据机壳轴向剖分形式的不同, 将轴式离心压缩机分成水平剖分型与垂直剖分型。
最初的离心压缩机基本上都是水平剖分型单轴离心压缩机, 是最常见的压缩机结构形式。水平剖分型单轴离心压缩机的机壳、隔板等定子部件被通过轴心线的水平剖分面分为上下两部分, 轴承布置于转轴的两端, 上下机壳常通过螺栓进行联接, 驱动机一般在转轴的两侧均可布置。在拆装维护过程中, 仅需拆卸掉上半部分定子件, 即可对转子和气体密封等易损件进行检修更换, 并可整体起吊压缩机转子。
随着近年来重化工装置规模的日益扩大, 水平剖分型单轴离心压缩机应市场需求又发展出悬臂式水平剖分型单轴离心压缩机、集成中间冷却器的水平剖分型单轴离心压缩机 (图1) 和轴流+离心组合型水平剖分单轴压缩机 (图2) 等新的型式。相比传统的水平剖分型单轴离心压缩机, 新型式的压缩机在进气量、效率、流量调节范围、最大出口压力结构紧凑度和原材料利用率等方面均有很大的提升。目前, 曼透平和西门子公司的轴流+离心组合型水平剖分型单轴压缩机的入口流量已可达到百万立方米每小时以上的能力。
垂直剖分型单轴离心压缩机又称为筒型离心压缩机。筒型离心压缩机的由筒型主机壳和端盖构成, 在主机壳的一侧或两侧有垂直抛分面, 预装成一体转子和隔板等部件通过端盖侧安装入压缩机机壳内, 再通过螺栓连接将主机壳和端盖进行连接。
相比于水平剖分型单轴离心压缩机, 垂直剖分型单轴离心压缩机的进气量和流量调节范围较小。但由于垂直剖分型离心压缩其良好的密闭性特点, 特别适合在高压力、低分子量气体、易燃易爆气体、有毒气体、腐蚀性气体等领域的应用。1963年, 美国生产出第一台合成氨装置用的高压垂直剖分型单轴压缩机, 其筒型机壳能够承受10MPag的压力。到了20世纪80年代初, 垂直剖分型单轴离心压缩机排气压力已经达到80MPag, 如今垂直剖分型单轴离心压缩机的承压能力已达到100Mpag。
整体齿轮式离心压缩机是在单轴式离心压缩机设计基础上发展而来的一种设计形式, 由位于齿轮箱中的大齿轮带动各高速齿轮轴上的压缩级, 实现气体介质压力的提升。1948年, 原德马格公司 (后合并入西门子公司) 制造了第一台四级整体齿轮式压缩机, 随后其他压缩机制造公司也纷纷效仿。随着各压缩机制造商在研发设计、材料、密封技术和加工制造工艺水平等方面的不断进步, 整体齿轮式压缩机向着多级、高压力和全介质发展。整体齿轮式压缩机从只应用于介质如空气和氮气的安全气体, 逐步扩转到应用于如有毒有害、易燃易爆和强腐蚀性气体的各种工艺气体。1965年, 原德马格公司就已经将干气密封应用于整体齿轮式压缩机。1995年, 曼透平公司研制了世界上首台10级整体齿轮式压缩机, 并成功用于俄罗斯某化肥生产企业的尿素装置进行二氧化碳其他的增压, 其出口的排气压力高达20MPag。
相比于单轴式离心压缩机, 整体齿轮式离心压缩机各级的转速可尽可能选择在最佳转速, 各级叶轮也均可实现轴向进气和进行压缩后的级间冷却, 便于设计入口流量调节导叶, 便于进行不同压缩流程的组合, 故而其较容易进行气动性能的优化;但其对齿轮轴的加工设备和加工精度有着很高的要求, 且由于其转轴数目较多, 齿轮啮合和轴承的机械损失相比单轴式离心压缩机要大很对, 在一定程度上抵消了其在气动性能方面的优势。
虽然经过各国科研人员的长期不懈努力研究, 各国在离心压缩机设计理论、方法、计算和试验手段都取得了巨大的进步, 但因为三维流场本身的复杂性及各项相关技术和工艺的限制, 仍使得离心压缩机有着很大的发展空间。此外, 随着科学技术的突破和市场需求的发展, 必将出现更为先进、复杂和高效的离心压缩机,
近年来, 离心式压缩机正在向着更大叶轮直径、更高叶轮流量系数、更宽广和更大高效运行区间, 更高单级压比、更低泄漏率、更高级气动效率、更多部件标准化、等方向快步发展。此外, 随着科学技术的突破和市场需求的发展, 必将出现更为先进的设计理论和更为精准的流场计算, 更为新颖和高效的压缩机结构, 更为复杂和紧凑集成的机型。未来, 在伴随着如材料科学和3D打印技术等交叉学科的飞速发展, 必将为离心压缩机的结构设计和加工制造工艺带来突破性的发展。预计在不远的将来, 如3D打印制造或其他工艺制造的更高性能的离心压缩机部件必将实现应用。
随着近些年来我国经济和科技的快速发展, 我国的离心压缩机制造的水平已与国外知名压缩机制造商大幅缩小, 但仍然在压缩机结构和类型、集成度和紧凑性、气动力学性能和效率、材料利用率等诸多方面存在一定的差距。所以, 离心压缩机在国内还有着更大的发展空间, 也需要我们投入更多的人力、物力和财力来促进我国离心压缩机的多元化发展, 相信我国的离心压缩机的研发和制造水平终将位于世界领先水平。
摘要：随着在化工、航天、航海、军工等诸多行业的迅速发展, 各行各业对离心压缩机的市场需求也越来越大, 对离心压缩机在流量、压力、效率和成本等各方面也提出了更高的技术要求。因此各国的研发和制造公司也不断的投入大量的人力、物力和财力, 推进了离心压缩机的迅速发展。本文首先介绍离心压缩机的发展历史, 随即概述离心压缩机的型式和研究现状, 最后展望离心压缩机的未来, 希望可以和业界同仁共同学习和进步。
关键词：离心压缩机,压缩机研究,压缩机历史,现状与展望
[1] 刘瑞韬, 徐忠.分流叶片位置对高转速离心压缩机性能的影响[J].空气动力学学报, 2015 (1) :130-135.
[2] 初雷哲, 杜建一.计及几何参数变化的离心压缩机特性分析[J].工程热物理学报, 2016 (3) :47-49.
[3] 于志强, 袁卫星.高转速离心式制冷压缩机研究现状及前景[J].制冷与空调, 2015 (3) :1-3.
[4] 杨策, 施新.径流式叶轮机械理论及设计[M].北京:国防工业出版社, 2014.10.
[5] 亢天明, 崔勇.组装式离心压缩机及循环气离心压缩机密封的分析与应用[J].风机技术, 2012 (6) :66-69.
[6] 张兴.浅谈离心压缩机的常见故障与改进问题[J].化工管理, 2014 (14) :178.
[7] 王学军, 郑治国, 葛丽玲.离心压缩机结构形式发展现状与展望[J].化工设备与管道, 2015 (2)
[8] 徐忠.离心式压缩机原理[M].北京:机械工业出版社, 1990
