中国离心式压缩机的发展状况

中国离心式压缩机的发展状况

作者：马铖彬

摘要：离心式压缩机广泛应用于石油天然气工业等领域，而中国的离心式压缩机的发展关系着以后未来的生活。为此，研究中国的离心式压缩机的发展有利于未来更好地了解中国甚至世界的经济状况以及现在要做出的方案。

关键字：压缩机发展经济状况

发展历程：

在了解离心式压缩机的发展状况之前，先明白其用途以及工作原理。离心式压缩机用于压缩气体的主要部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。简单地讲，离心式压缩机就是通过叶轮对气体做功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转化为气体压力能。离心式压缩机用途较广，如石油化学工业中合成氨中生产化肥，天然气输送以及制冷，动力工程中用于燃气轮机，内燃机以及动力风源。离心式压缩机根据排气压力分为三类：离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机。

第一台工业上使用的离心压缩机是在人类迈入20世纪时与早期的内燃机一同出现的，其中一些工作是由发明第一台燃气轮机的Eilling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是显得意义不大。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没有被认同。

在离心压缩机发展的初级阶段，中国的设计水平在一定程度上受到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限制的几种方法，包括机械加工，连接和铸造。

21世纪，离心压缩机，往复压缩机，螺杆压缩机是化工工艺流程与气体动力领域的三大主流，离心式压缩机占主导地位推动发展的动力：工业企业的大型化。30万吨合成氢，50万吨尿素，30万吨聚乙烯这样大型化工企业在世纪运行中显示出了巨大的经济性。大型的空分装置需求量也日益增加。离心式压缩机体积不大，占地面积也非常小，之前的往复压缩机被取代，并且离心式压缩机所压缩的气体不会被润滑油污染，同时中间冷却器的传热性能得到改善，并可省去油分离装置，可靠性比较高，离心压缩机实用化也在进一步发展，近年来，计算机的飞速发展及各种成熟，软件的编制使这种计算更方便，对被压缩气体的性质的掌握，各种实际气体热力学过程能量变换的认识，提高了计算的正确性。完善的设计而无加工手段也枉然，自20世纪60年代发展起来的数控加工设备能够很好的满足空间精密加工的要求，这对离心压缩机及其他具有复杂加工表面的机器发展起了推动作用。在高压范围内离心的应用还相当困难，为适应离心压缩机的工作特点，各种需要高压的工艺逐渐通过改进而在低压下完成。

离心式压缩机应用于冰箱，空调等方面，以下举一个例子来说离心式压缩机的发展。长春第一汽车集团公司使中国工业汽车空调的摇篮。1996年接受为中央首长制

造红旗保险车的任务，由于受空调工业发展限制，夏季用车时只能事先用冰块冷却车内的空气。1969年成功研制第一台汽车空调装置，不仅结束了中国不能生产保险车的历史，同时开创了中国自行设计，独立制造汽车空调装置的先河。此后，第一机械工业专门建立生产和装配压缩机的车间，建立了蒸发器和冷凝器生产车间，这也是离心式压缩机诞生的标志。改革开放后，上百个企业纷纷争上汽车空调，如今的产量也达到世界第四名，这一切都要归功于离心式压缩机，正是汽车空调的发展，使人们逐渐认识到了离心式压缩机的重要性，在很大程度上促使离心式压缩机的发展，它也正是从一点点地扩大，造福人类的未来。

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）部件等下面依次介绍它们的发展。

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。

离心式压缩机中需要采用二维方法，而这一方法在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。

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。

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 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。