带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机的制作方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种透平式压缩机结构，其特别适用于110000?150000Nm3/h量级的空分机组。
【【背景技术】】
[0002]大流量的透平式压缩机一般用于冶金、石油化工等装备的压缩设备，如空气分离装置，且一般采用闭式叶轮。两台压缩机背靠(背靠背)安装，能有效减小施加在轴承上的轴向力，达到延长轴承寿命的效果，且结构紧凑，利于布置中间冷却装置。(参见中国发明专利公开“一种背靠背型两级离心式压气机的轴向力控制方法”，公开号:CN102828984A，公开日:2012.12.19) ο
[0003]空分机组压缩机的结构形式很大程度上取决于其流量和压比的大小。中小流量的空分机组常采用单级或多级离心压缩机结构；大流量的空分机组尽管也多采用多级离心结构，但已接近离心压缩机的设计极限；特大量级(80000Nm3/h)以上的空分机组目前仅有多级轴流+离心结构获得了比较好的效果，如曼透平公司的AR-MAXl系列复合空分机组即采用6?8级轴流段+1?3级离心段+0?2台中冷器结构实现了 3000?7000t/d 02的目标，最高压力可达25bar。(参见曼透平官网产品介绍和文档资料“http://turbomachinery.man.eu/products/compressors/axial，，)
[0004]随着装备大型化趋势的发展，压缩机流量和负荷不断加大，并且对结构紧凑等的限制要求越来越高，多级离心压缩机第一级的设计难度逐渐增大，尤其在大流量(或大流量系数)的要求下更是如此。尽管可以通过叶轮局部切削提升大流量系数离心叶轮性能，但效果并不十分理想。(参见文献 Wang Y S，Wang K, Lin F，et al.Performance analysisand improvement of a high flow coefficient centrifugal compressor[J].ScienceChina, 2014，57 (8): 1647-1657.)。在大流量(或大流量系数)下，多级离心压缩机的第一级叶轮容易出现出口相对宽度132/1)2超出离心叶轮常规设计范围，且在轮盖折转处易导致气流严重分离的问题，使叶轮压比和效率急剧下降，从而制约了纯粹的多级离心压缩机在特大、超大量级的压缩设备中的应用。
[0005]尽管多级轴流压缩机具有流道平滑、高压比时效率较高等优点，用于替代I?2级离心压缩机作为压缩装置的低压段也取得了较满意的效果，但其本身缺点也比较明显:(I)零部件数量多，加工成本高；(2)叶片抗畸变和抗沾污特性差；(3)单级增压比低，且随着级数的增多，末尾几级增压能力减弱，效率降低；(4)级间匹配困难，稳定工作范围小，为了扩大喘振裕度常采用可调静子或机匣处理，进而又增加了结构复杂性。
[0006]斜流压缩机结合了轴流压缩机大流量(或大流量系数)、高效率以及离心压缩机结构简单易于制造、可靠性高、压比高的特点，其流道型线在轮盖侧的折转相对平缓，削弱了气流在叶轮轮盖折转处的分离，也减小了轮盖侧叶片的扩压度，可用于解决大流量空分机组第一级压缩机性能恶劣的问题。但目前用于大流量空分装置的斜流叶轮和斜流压缩机尚处于探索阶段，因为商业保密，公开文献极少。【
【发明内容】
】
[0007]本发明的目的在于提供一种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，以解决传统多级离心式压缩机难以适应特大流量空分机组需求以及在大流量(或大流量系数)下第一级压缩机性能恶劣的问题；本发明结构简单紧凑、压缩功耗小且稳定可靠，能够满足特大、超大量级空分机组的需求。
[0008]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0009]—种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于:包括斜流级和离心级，第一级为斜流压缩机，第二级为离心压缩机；斜流级包括斜流叶轮、斜流级无叶扩压器、斜流级蜗壳；离心级包括离心叶轮、离心级无叶扩压器、离心级蜗壳；在斜流压缩机和离心压缩机之间连接一个中间冷却器，中间冷却器进口与斜流压缩机蜗壳出口相连，中间冷却器出口与离心压缩机回流通道进口相连。斜流叶轮与离心叶轮均为含分流叶片的闭式叶轮，叶轮同轴背靠安装。
[0010]所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流级和离心级压缩机的流量为175?240kg/s ;斜流压缩机总压比为1.5?3.0，离心压缩机总压比为1.5?
2.3。
[0011]所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流叶轮的轴向长度比成为0.45?0.65 ;斜流叶轮叶片出口相对宽度b 2/1)2为0.10?0.16 ;斜流叶轮出P处轮盘切线与轴线所成的锥角(即出口倾角)Θ为30°?75° ;其中，L为叶轮轴向长度，D2为叶轮叶片出口平均直径，b 2为叶轮叶片出口宽度。
[0012]所述的带级间冷却的两级大流量两级斜流-离心组合压缩机，其斜流叶轮主叶片前缘和斜流叶轮分流叶片前缘的叶顶处连线与轴线所成夹角0sl为0°?8°。分流叶片前缘(从叶顶至叶根)位于斜流叶轮主叶片弦长40%?65%处。斜流叶轮叶片进口相对直径D1ZD2X).72，从斜流叶轮主叶片叶顶弦长70%?85%位置开始至尾缘的叶片区域，其叶顶曲线的平均曲率是其余区域叶片叶顶平均曲率的2倍以上，且斜流叶轮的子午流道型线光滑过渡办为叶轮叶片进口叶顶直径，D2为叶轮叶片出口平均直径。
[0013]所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流级无叶扩压器的通道面积经历了先减小后增大的过程，其中斜流级无叶扩压器的收缩段流道弯曲，斜流扩压器进口处轮盘倾角与斜流叶轮出口倾角相同；斜流级无叶扩压器喉部处(最小通流面积)与进口处的面积之比k2/k2% 0.95?1.0，平均直径之比D 3/1)2为1.20?1.35。
[0014]所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流扩压器进口处至喉部的流道有一定角度的折转，其折转角度为90° -θ，Θ为斜流叶轮出口处轮盘切线与轴线所成的锥角。
[0015]相对于现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0016](I)本发明能满足特大、超大量级空分机组，尤其是110000?150000Nm3/h量级空分机组对于大流量压缩机的需求，并能克服大流量空分机组第一级设计困难的问题。
[0017](2)与采用离心压缩机作为空分机组压缩机的第一级的情况相比，采用本发明所述结构的斜流压缩机作为第一级，能有效解决大流量(或大流量系数)条件下采用离心压缩机作为第一级时所出现的叶轮出口分离严重，压缩机性能不足的问题。
[0018](3)与采用多级轴流压缩机结构作为空分机组低压段的情况相比，两级斜流+离心组合压缩机结构比多级轴流结构具有更宽的工作范围，叶片积垢对性能的影响没有多级轴流结构明显，对于提高机组稳定性，拓宽压缩机工况范围有明显的作用。同时，采用两级斜流-离心组合压缩机结构取代多级轴流-离心压缩机结构能够减少压缩机零部件数量，简化结构，降低轴系设计难度，减少加工、安装和维护成本，提高叶片抗畸变能力和抗沾污能力。
[0019](4)两级斜流-离心组合压缩机采用背靠式布置，能减小作用在轴承上的轴向力，增加轴承寿命；采用级间冷却，能减少10%左右的压缩功耗，提高经济效益。
[0020]本发明通过一个具有前端明显轴向特征及尾端叶顶大曲率特征的斜流叶轮与一个进口渐缩型弯道无叶扩压器的配合来改善第一级叶轮性能，以满足大流量压缩机的需求。
【【附图说明】】
[0021]图1为本发明带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机的总体结构示意图。
[0022]图2为本发明的循环示意图。
[0023]图3为本发明的第一级斜流叶轮和斜流无叶扩压器的参数定义及子午面结构示意图。
[0024]图4为本发明的前端明显轴向特征+尾端大曲率结构示意图。
[0025]图5为本发明实施例的第一级叶轮子午面结构示意图对比；第一级叶轮分别采用斜流叶轮和离心叶轮两种设计方案以作性能对比。
[0026]图6为本发明实施例的第一级叶轮三维视图(闭式叶轮轮盖未画出)；其中图6(a)为离心叶轮的三维图；图6(13)为斜流叶轮的侧视图；图6(0)为斜流叶轮的正视图。
[0027]图7为本发明实施例的第一级叶轮性能对比示意图；其中图7(a)为叶轮等熵效率对比示意图；图7(b)为叶轮总压比对比示意图。
[0028]图8为本发明实施例的第二级叶轮性能对比示意图；其中图8(a)为叶轮等熵效率对比示意图；图8(b)为叶轮总压比对比示意图。
[0029]附图中标号含义为:
[0030]1、锁紧螺母；2、主轴；3、斜流叶轮轮盘；4、斜流叶轮主叶片；5、斜流叶轮分流叶片；6、斜流叶轮轮盖；7、无叶扩压器轮毂壁面；8、斜流级无叶扩压器；9、斜流级蜗壳；10、壳体；11、离心级蜗壳；12、离心级无叶扩压器；13、离心叶轮轮盖；14、离心叶轮分流叶片；15、离心叶轮主叶片；16、离心级回流通道；17、离心叶轮轮盘；18、斜流压缩机级；19、中间冷却器；20、离心压缩机级。
[0031]附图中符号含义为:
[0032]L--叶轮轴向长度，m;
[0033]L1--斜流叶轮大曲率区域长度，m ；
[0034]D1——叶轮叶片进口叶顶直径，m ；
[0035]D2——叶轮叶片出口(扩压器进口)平均直径，m ；
[0036]D3一一斜流扩压器喉部(最小通流面积处，下同)平均直径，m ;
[0037]b2——叶轮叶片出口(扩压器进口)宽度，m ;
[0038]b3——斜流扩压器喉部宽度，m ;
[0039]A2——叶轮叶片出口(扩压器进口)面积，m2;
[0040]A3 斜流扩压器喉部面积，m2;
[0041]Θ 一一斜流叶轮出口轮盘切线与轴线所成锥角(即斜流叶轮出口倾角)，° ; Θ=30。?75。；
[0042]0sl一一叶轮主叶片前缘和分流叶片前缘的叶顶处连线与轴线所成夹角，° ;
[0043]Qm--质量流量，kg/s ；
[0044]n tt*——叶轮等熵效率；
[0045]JT*——叶轮总压比；