黄金展位

7M50系列压缩机结构特点

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夏雨鑫 齐荣琴

(中石化镇海炼化分公司;沈阳申元气体压缩机有限责任公司)

1 引言

7M50系列压缩机组的研发是以7M50氮氢气压缩机为基础,单机年产3~4万吨合成氨的大流量高压往复机,也可应用在采用焦炉气、煤气、天然气做原料的其它化工流程中。7M50采用7列对称布置、单列50t活塞力,基础件的研发在国内尚属首次,填补了国内7列超大型压缩机机组设计制造的空白。

20世纪80年代,压缩机制造厂多采用4M20、4M50、6M50系列往复活塞压缩机用于合成氨工业,其排气压力为32MPa机型基础件采用4列或6列布置,在我国中小化肥企业生产中发挥了一定作用。由于单机生产能力小、易损件多、耗能大等劣势,因此,化肥企业希望生产大流量的同类高压压缩机。但大流量压缩机需要克服高压密封、动力特性的研究、超大型整体机身铸造工艺和加工精度等诸多难题。这也是我国多年以生产6M50以下压缩机的主要原因,6M50氮氢气压缩机存在着一级缸直径超大达1390mm,曲轴扭振严重等固有因素带来的无法回避的缺陷,从而多发性的出现活塞碎裂,曲轴断裂等重大事故;本次研发的7M50系列氮氢气压缩机,采用7列布置,将克服国内往复活塞压缩机列数不足等问题。开发过程中,应用专有技术、攻关7M50氮氢气压缩机动力特性的研究、整体机身的结构及强度、刚度的研究、)列分体式曲轴的结构、强度、刚度的研究等7项难题,分体曲轴的采用有效控制曲轴的扭振,一级缸采用双缸,减小气缸直径,保证了压缩机的高安全运行。下面就本机组基础件的主要结构特点做介绍。

2 7M50系列压缩机基础件的主要结构特点

2.1机身与中体

7M50系列压缩机共设有7列,机身的一侧为4列,另一侧为3列,为往复活塞机提供了一种新的结构形式。它不同于压缩机传统的结构分布,而是采用前四后三的偶奇组合式。机组在正常工作时,惯性力对机组的运行的平稳性及各零部件的使用寿命都有着极大的影响。而奇偶组合式这种设计理念有效的平衡了压缩机的惯性力。采用7列避免了原有的6列机的大缸径,大大提高了活塞环、支承环的使用寿命,降低机组及管路的振动问题,从而保证整个机组运行的可靠性。

机身为专用件由优质灰铸铁制成,为整体机身,成功地解决了大型整体机身铸造工艺和加工精度的难题,曲轴箱自成一体,可拆卸的中体分布在两侧,两侧中体内设置十字头滑道。曲轴箱顶部为开口式,便于主轴承、曲轴和连杆的安装及检修。顶部开口处设有分体式盖板,并设有机身呼吸器,使机身内部空间与大气相通,随时保持压力平衡。

中体十字头滑道两侧开有方孔,用于安装、检修十字头。分体式带底座的中体滑道,克服了以往中体机身整体式带来的种种弊端,如滑道磨损及滑道损坏不可更换、整体铸件滑道位置的铸造偏移、滑道中心线与机身轴线的位置误差等;同时中体带底座,克服以往中体地脚灌浆不可拆检的缺点。

主轴承采用滑动轴承,为分体上下对开式结构,瓦背为碳钢材料,瓦面为轴承合金;定位主轴承两端面翻边,用来实现曲轴的轴向定位;轴承盖设有吊装螺孔和安装测温元件的螺孔;轴承盖用螺栓紧固在机身上。

材料为:灰铸铁;重量为14810kg,外形尺寸:6044mm*1630*1570mm

2.2曲轴

7M50系列机组根据机组惯性力的平衡性采用偶奇式布置。本系列压缩机研制过程中,前四后三的奇偶组合式曲轴的研制是一个重点和难点。

7M50系列机组曲轴特征为:采用对接式曲轴,使惯性力在机组运行时自我抵消,从而降低对基础的影响,前4列曲轴曲柄错角互为90度,后3列互为60度,设计中合理地分配各列曲柄之间的错角,使驱动端的扭矩脉动幅度更小。曲轴强度、刚度均按照500kN活塞力的要求设计;曲轴总长6m以上,重量接近4t轴颈与曲柄间设计有圆角圆滑过渡,以减小应力集中;采用合金钢材料;轴体无油孔,避免了由油孔产生的应力集中的损害。

曲轴与电机采用摩擦连接,曲轴功率输入端带有联轴法兰盘,法兰盘与曲轴制成一体,输入扭矩是通过紧固螺栓使法兰盘连接面产生摩擦力来传递的。

曲轴轴向定位是由功率输入端第一道主轴颈上的定位台与带有翻边的主轴承来完成的,以防止曲轴的轴向窜动。本系列压缩机曲轴采用分体式结构,具体形式如图2。

曲轴设计过程中,对曲轴做了精确地分析,避免了因扭矩脉动引起的扭振,从而确保了曲轴及轴瓦工作的安全性,采用分体曲轴结构大大降低了曲轴的加工难度?

曲轴材料、轴颈、拐径、曲柄等几何尺寸确定后,各个曲柄间的偏转角的确定对曲轴来说是至关重要的。曲柄错角设计的不合理会大大削弱曲轴的安全系数。合理地分配各列曲柄之间的错角,会使驱动端的扭矩脉动幅度缩小,更加有利于提高压缩机的安全系数,确保压缩机安全平稳运行。本系列压缩机在曲轴设计中对曲柄错角的确定高度重视,经过反复详细的对比计算确定。

7M50系列压缩机曲轴的轴颈、拐径、曲柄宽度等几何尺寸设计合理,加工工艺与常规的列数较少的曲轴相同,很好的保证了设计要求。

7M50系列压缩机现已成功投入运行多年,销售30多台,各项指标均满足机组的要求,经受住了实践的考验,也为开发8M80(8列对称平衡型,活塞力800kN,功率10000kW机组奠定了坚实的基础。

2.3连杆

连杆由锻钢制成。连杆分为连杆体和连杆大头瓦盖两部分,由二根连杆螺栓将其连接成一体。

连杆大头瓦为剖分式,瓦背材料为碳钢,瓦面为轴承合金;大头瓦外侧表面镶有圆柱销,用于大头瓦径向定位,防止轴瓦转动。连杆大头瓦除采用这种传统的钢背挂轴承合金外,我们也尝试使用铝镁合金轴瓦,采用合理的设计结构,有效控制润滑间隙,使用寿命相对传统结构的巴氏合金轴瓦大幅提高,这种铝镁合金轴瓦已在多家用户中成功使用。连杆小头衬套为整体式,衬套材料为锡青铜。连杆的轴心线采用小头衬套定位,大头瓦在曲轴的轴向有较大的串动量,但两侧间隙不一定对称分布,它对曲拐中心与中体滑道中心的不同轴度有补偿作用。

为确保连杆安全可靠地传递交变载荷,连杆螺栓必须有足够的预紧力,其预紧力的大小,是用专用液压紧固工具的压力来保证的。连杆体、大头瓦盖为优质碳素结构钢制成,连杆螺栓为合金钢制成。大头瓦盖侧面设有吊装用螺孔,使连杆的拆装更为方便。

2.4十字头体

十字头体由铸钢制成。是具有活动滑履的可调式结构。滑履材料为碳钢,工作表面有一层轴承合金。十字头与活塞杆的联接采用沈阳申元气体压缩机厂专有技术的半液压联接结构。半液压联接结构对预紧力可以达到精确地控制,使活塞杆主受力部位保持在合理的弹性变形范围内,有效地改善了应力循环特性,降低了应力幅,提高了可靠性。该联接方式具有结构简单,安全可靠,拆装方便,省时省力的优点。十字头部件主要由十字头体和滑履组成。滑履采用外圆凸缘定位,螺纹紧固结构,有利于装配调整与维修,具有合理的结构工艺性。但结构复杂,精度要求高,加工难度较大,需制订合理的加工工艺。

3 结语

7M50系列压缩机克服了原有同类压缩机常出现的弊端问题,自身具有诸多创新优点,该项目的研制成功提高了我国往复压缩机的技术水平,填补国内空白并荣获“沈阳市科技进步三等奖”;同时满足未来市场发展需要,符合国家政策的要求,提高企业的市场竞争力;另外除满足我国化肥工业抓大放小政策的需要,实现我国化肥的自给自足,同时成本的降低,对提高国际市场竞争力具有十分重要的意义。

来源:《压缩机技术》 2013年第2期