刍议离心压缩机结构形式发展现状与展望

赵新民

摘要：早期的某些单轴式压缩机驱动机布在双缸机组的端部，造成了低压缸的轴、轴承、轴封的直径都要加大，目前国内外很多压缩机制造厂已对此进行了改进。通过压缩机叶轮材料和汽轮机末级叶片材料的升级，提速、减级数、降成本是当前单轴式离心压缩机技术的发展趋势。多轴式压缩机具有效率高、价格低、占地小的优势，在非危险性气体压缩中的应用己非常广泛、成熟，已成为国内外空分行业压缩机的主力机型；对压比不太高的化工气体的压缩，应用范围正逐渐扩大。

关键词：离心压缩机；结构分类；发展现状；展望

作为持续提供压缩气体的高效节能设备类型，离心式压缩机在我国工业现代化中扮演着十分重要的角色。无论是重大化工装置还是气体输送、液化等领域，都能够看到离心压缩机的身影。离心压缩机最早出现于上个世纪初期，历经百年的发展，不但在技术应用水平上取得了较大的突破，同时也逐渐分化出几种不同的类别，现介绍如下。

1单轴离心压缩机

单轴离心压缩机属于压缩机的基础结构形式，起步早，发展缓慢，其机械特点为压缩机叶轮均套装于1根轴上，径向轴承处于叶轮两端，形成“双支撑”结构，利用联轴器轴端与驱动级相连。最早的单轴离心压缩机主要应用于燃机及钢铁厂。按机械外壳的形状，可将单轴离心压缩机分为：（1）垂直剖分型；又称筒型压缩机，密闭性好，气体处理效果好，适用于腐蚀性气体、毒性气体、易燃易爆气体及低分子量气体。该压缩机的结构荷载分布均匀，避免机械端盖变形，垂直剖分面的机构简单，内置环形密封槽，利用内嵌O型圈能有效预防气体渗漏，安全性高。同时，针对压力过高的环境，可增加O型圈的数量，实时监测O型圈的压力波动幅度，提高压缩机的承压性能。筒型压缩机外壳看的制造形式丰富，涵盖锻造、钢板卷制及铸造。其中，锻造及钢板卷制的成本低廉，售价便宜，有效减轻企业的经济负担，适用压力范围广，客观保障压缩机的作业质量，普遍采取锻造法制作机械外壳。（2）水平剖分型；属于生产常见压缩机结构形式，其结构特点为机械外壳利用轴心线分为上下两块，操作简单，便于日常检修维护。受压缩过程的影响，水平剖分型压缩机的结构复杂，涵盖四进四排气、三进三排气、双进双排气及单进单排气等形式。其中，双进双出排气形式又可细分为：1段叶轮与2段叶轮背靠放置；1段叶轮与2段叶轮依次放置。一旦叶轮间背靠放置时，叶轮平衡盘处上下压力差相对低，平衡盘处气体泄漏量少，相对省力。同时，按风筒的布置方向，水平剖分型压缩机可分为下进下排气压缩机及上进上排气压缩机。下进下排气压缩机指机械进排气管均垂直向下，属于生产常用布置方法，适用于压缩机的双层布置，特别是适用于压缩机组存在冷却机的情况，能明显减少压缩机成套装置的占地面积。上进上排气压缩机适用于背压式汽轮机，不存在中间冷却环节，完成单层布置。

2齿轮组装式离心压缩机

齿轮组装式离心压缩机指以单轴离心压缩机为基础，发展形成的基本结构形式。按压缩机的应用领域，可分为适用于腐蚀性、毒性、易燃易爆等特殊气体的齿轮组装式离心压缩机及适用于氮气、空气等气体的常规齿轮组装式离心压缩机。相较于传统单轴压缩机，齿轮组装式压缩机的优势明显，转速多，每级叶轮均可轴向进气，压缩后可自行冷却，作业效率高，作业效果好，机械能耗低。普通齿轮组装式压缩机结构形式紧凑，作业效率好，适用范围广，例如：氮气、空气等一般气体的压缩装置，发展至今，已初步形成规模化、标准化及系统化的作业模式，不仅便于机械的日常维护，还提高企业的核心竞争力。齿轮组装式压缩机普遍采取大齿轮轴连接驱动，高速齿轮轴3个，压缩级6级，其设计特点为：为了预防压缩机气流被污染，将轴端气封放置于压缩机悬臂蜗壳内；为了便于日常检修，齿轮箱普遍选择水平剖分的结构形式；叶轮普遍选择端面齿、三角轴及热装的结构，安装于高速轴，利用锁定螺母完成固定。

3. 原动机与离心压缩机组合结构

根据前面叙述的压缩机特征，研究者们将原动机与离心压缩机进行结构，形成了新的组合结构，这种组合结构的优势十分明显，具有缩小占地面积、减少密封系统的作用，所以能够有效降低压缩机的维护工作量。(1)膨胀机与压缩机组合膨胀机与压缩机的组合包括两种模式，分别是透平膨胀机与压缩机的组合以及压缩机为主，膨胀机进行能量的回收。两种组合模式各有各的优势与特点，其中膨胀机与压缩机的组合是一级膨胀与一级压缩完成的，所以膨胀机与压缩机在悬臂布置方面具有一定的交叉。由于不需要连接其他的联动设备，所以整体结构也相对更为紧凑。在结构方面，机组是以膨胀机的工艺性能为优先，所以压缩机处于辅助的地位，整个工艺性能的变化也会随着膨胀机的功能改变而改变。在磁力轴承技术不断成熟的当下，该类型机组的磁力轴承也可以在异地就能够程度上代替原有的润滑油系统，所以日常维护的费用也可以得到控制与缩减。相比之下，以压缩机为主且膨胀机为辅助的结构是为了满足工艺特殊性要求的压缩机环境，在非联动轴的外壁上悬挂膨胀机，以此来实现工艺流程副产尾气的能量回收。在膨胀机采用单级向心以及双级轴流结构的同时，可以实现功能目标。(2)复合组装压缩机组装齿轮压缩机在功能上满足了不同行业的特殊需求，但是复合组装式压缩机将原有的设计思路进行了延伸，添加了工艺尾气的能量回收模块，提升了整体效率，降低了能源的消耗总量，这对于整个生产环节都具有十分重要的意义。当前全球需求压缩机制造供应企业都开始采用这种新型的复合组装压缩机，并进行了技术上的研发与更新，提升了应用针对性。(3)电动机与压缩机组合电动机与压缩机的组合是通过高速电机与单轴压缩机结合实现系统的结构简单化、维护保养便利化的结果。该系统能够有效降低气体泄漏的概率，提升设计的稳定性，同时也减少了占地面积，更适应于恶劣的外部环境。

4多轴离心压缩机结构

驱动机与齿轮箱中部的大齿轮轴相联，大齿轮驱动三个小齿轮，小齿轮轴的两端悬臂安装离心式叶轮，六个蜗壳形机壳用螺栓固定在齿轮箱的两侧。小齿轮轴穿过蜗形壳体处装有轴封，小齿轮轴穿过齿轮箱处装有油封。由以上结构可以看出，多轴式离心压缩机的叶轮直径和转速都能最佳匹配，因此各级叶轮的工作效率较高。并且每级叶轮为轴向进气，流动状态更为均匀，故而提高了级效率。另外由于高速化，每级叶轮压比高，获得同样的压缩比，需要的叶轮数远远少于单轴式压缩机，因此，造价低体积小。多轴式压缩机早期主要用于空分装置，用转速为1500r/min的电动机通过联轴器与大齿轮轴直联。之后它推广到化工行业，驱动机用高速的蒸汽透平或燃气透平，需增设齿轮箱减速后再驱动大齿轮。这种传动方式虽然损失约2%的功率，增加减速箱的投资与占地面积，但用汽轮机对化工装置热能的综合利用很有利。但同样多轴式压缩机在结构上存在一些缺点。因此它不适合变转速调节性能。

另外，多轴式压缩机首次投运前需要对外部管道设备进行彻底的清洗。由于多轴式压缩机的叶轮转速在2～5万r/min之间，齿轮的节圆速度在130～200m/s之间，因此外部管道（气路、油路）及设备的吹扫和清洗是否彻底，对高速运转的叶轮和齿轮的安全极其重要。

5离心压缩机结构形式的展望趋势

离心压缩机结构形式的展望趋势为压缩机与膨胀机、复合组装式压缩机及电动机与压缩机，逐步形成集成化发展模式。其中，透平膨胀组合式压缩机可分为：以透平膨胀机为主，以压缩机为制动机；亿压缩机为主，以透平膨胀剂为辅助驱动机。上述第一类压缩机普遍由1级压缩机及1级膨胀机构成，压缩机与膨胀机的悬臂放置于主轴两端，结构紧凑，其悬臂布置结构与单级悬臂压缩机类似。

结束语：

通过本文的探究，认识到随着我国经济的不断发展，城市规模的不断扩大，工业企业的数量不断增多，离心压缩机的技术水平逐步成熟，为了提高离心压缩机的作业效率，加快离心压缩机的技术变革，分析现阶段我国离心压缩机的发展现状，提出相应的展望趋势具备显著价值作用。

参考文献：

[1] 黄映富. 浅谈离心压缩机结构形式发展现状与展望[J]. 科学与财富,2017(1):284-284. DOI:10.3969.

[2] 王朝阳. 离心压缩机结构形式发展现状与展望[J]. 当代化工研究,2018(11):154-155. DOI:10.3969.