气体压缩机的选择--活塞式压缩机的机械构造

作者：Eduardo Larralde

欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 具有卧式气缸的活塞式压缩机有着非常广泛的应用。它们是所有活塞式压缩机的代表，可用作模型来分析压缩机的主要组成部件（图3.1）。 曲轴箱 曲轴箱是压缩机的主体，应具有足够高的刚度以保持所有运动和旋转部件3,4正确对齐。图3.2显示了一个具有十字头延长轨和横向隔距块的曲轴箱。压缩机曲轴箱通常是一个整体式铸铁件。为了实现优秀的设计方案，可以考虑采用高强度球墨铸铁作为材料，以达到卓越的性能。 所有中等功率及大功率机架，以及四或六气缸小功率机架都装备有紧公差横向隔距块，它们安装在机架两侧之间的轴承箱上方。这种设计方案得到了一种硬度极高的密闭式主体，其中的应力和应变均匀分布。在曲轴箱内有一些大型开口，旨在节省维护过程的时间和成本。 十字头延长轨或者滑块 该部件连接曲轴箱和隔离段。十字头在该部件内部移动。 十字头延长轨由铸铁制成，对它的加工需符合严格的公差要求，以保证十字头、气缸和活塞组件达到最佳的对中状态4。十字头导轨由球墨铸铁制成，并具有外部肋条3。 在小型的高转速压缩机中，十字头延长轨与曲轴箱集成为一体，而在较大的机架中，它们是单独的部件4。 隔离段 隔离段连接十字头延长轨和气缸。其具有多种多样的配置，一般根据压缩过程的需要和客户的规定选择最佳的外形。 气缸 气缸的设计取决于工作压力、气体流量以及压缩机的应用。对于压力低于5MPa的情况，气缸由铸铁或者球墨铸铁制成。对于压力在5MPa到15MPa之间的情况，它们由铸钢制成。对于更高压力的情况，采用锻造铸钢或者锻造合金钢来制造气缸。气缸通常还装有铸铁内衬或者珍珠岩铸钢衬套，从而能够获得非常光滑的加工表面，并提供一种可更新的磨损面。不建议采用由不锈镍铸铁（高含镍量）制成的衬套，因为容易出现永久变形等问题5。在中小型压缩机中，气缸被制成带有隔离段的整体式机构。在大型压缩机中，它们由螺栓连结在一起。吸气阀和排气阀安装在气缸壁上。 压缩气缸的设计包括围绕缸膛的水套。水冷却的主要作用是降低压缩过程中升高的气体温度，其主要好处在于，能够延长活塞环、支撑带和密封环的使用寿命，使润滑效果更好，减少阀门上的沉淀物，增加阀门的使用寿命，降低排放管道着火的危险，并减小无载荷工作状态下的热量浪费。较低的气体温度还有利于提高效率，降低功率需求6。 气缸的设计应该确保其达到最高的可靠性，主要的设计特点包括： ◆ 能够容纳不同类型的阀门，以实现最大的效率以及阀门内构件的最长使用寿命。 ◆ 宽敞的气体通道，以便尽量减小压降。 ◆ 优化冷却通道，以减小热应力和变形，并控制工作温度。 ◆ 采用由多种材料制成的可更换衬套，以便适合特定的应用4。 曲轴 对于任何的活塞式压缩机来说，这都是其主要部件。它是一根弯曲的轴，配有平衡锤，旨在减小不平衡的旋转惯性力和力矩。曲轴被支撑在主轴承之上。图3.1显示了一台卧式压缩机中的所有运动部件，即，曲轴、连杆、十字头、活塞杆和活塞。 所有曲轴都是精密研磨的整体式高强度钢锻件。高转速压缩机的平衡锤与曲轴集成为一体，而其他类型压缩机的平衡锤则通过螺栓固定在曲轴上3,4。为了减小应力集中，避免疲劳失效，应仔细地将曲轴上的所有润滑油孔和非连续处抛光，使其光滑。 连杆 连杆将曲轴连接到十字头上。大端随曲轴旋转，小端随十字头前后做直线运动。连杆由模锻钢制成。穿过连杆内部的一条轴向凹槽确保小端得到可靠的润滑4。 十字头 连杆的小端和活塞杆的一端都连接至十字头，十字头将运动从连杆传递到活塞杆。十字头装有尺寸足够大的可替换滑块。十字头主体部分由充分加工的锻钢制成。载荷保持在最小，从而使十字头主体具有极长的工作寿命。滑块完全由机械加工而成，并且是可更换的3,4。 在大型压缩机设备中，活塞杆与十字头之间的传统螺纹连接被具有液力紧固螺栓的法兰十字头设计所取代。 活塞杆 这些感应淬火处理的模锻钢合金棒或不锈钢合金棒被用于连接十字头和活塞。由于活塞杆的运动经过滑动体、隔距块和气缸端壁，所以应该在滑动体内安装一个刮油填料组，在气缸端壁上安装一个压力填料组，以免发生油气的渗漏。 过去15年中，一种新技术的应用迅速增多，即应用碳化钨涂层来提高可靠性7。 活塞 活塞是压缩机中的关键部件，因为它们的直线运动提供了吸气、压缩和排气的方式。其制作材料取决于最终排气压力和被处理气体的化学成分。对于低压力的情况，它们通常由铸铁制成，但是如果活塞的直径较大，则它们可由结构焊接钢制成。对于高压力的情况，活塞由锻钢制成。有些应用中可以选用铝合金，而对于一些具有腐蚀性的气体，则可以采用特殊的合金材料。 活塞环与支撑带 活塞环与支撑带（rider band）安装在绕活塞边缘加工出来的一些圆形凹槽上，起到使活塞和气缸之间密封的作用。对于一般的工况，活塞环由铸铁制成。对于无润滑气缸，活塞环由磷青铜合金或者填充了聚四氟乙烯（PTFE）的材料（碳、青铜、玻璃和钼）制成。也使用一些其他的活塞环和支撑带材料，如织物酚醛树脂层压胶木板，以及一些热塑性工程塑料。 在先进的设计中，支撑带的凹槽与活塞杆的轴线保持偏心，所以支撑带会从活塞底部凸出来一部分。该特点有很多优点，其中包括，具有更大的厚度以供磨损，平均活塞杆径向跳动更小4。 轴承 就主轴承而言，小型压缩机使用滚动轴承，大型压缩机使用滑动轴承。连杆轴承的接触面由巴氏轴承合金制成，并且可以根据压缩机的尺寸将其制成可移动式或者堆焊式。 具有先进设计的往复式压缩机轴承表现出以下特点： ◆ 三层金属（钢壳、含铅青铜层、电镀乌金着色层）主轴承和连杆轴承，或者经过重大改进的新式铝-锡双金属主轴承和大端轴承。 ◆ 在垂直面剖分。 ◆ 在最高载荷区域不会出现几何不连续处。 ◆ 无需拆除主轴即可更换轴承。 ◆ 就备件优化而言，大端轴承与径向轴承完全一样3。 阀门 阀门是保证活塞式压缩机可靠性的最关键的部件，而且还会对效率产生重大影响5。它们允许或者阻止气体流向和流出气缸。所有阀门都是自动式的，会因为密封件两边的压力差而开启或者关闭。由一组弹簧来帮助阀门闭合，它们确保阀片与阀座有效触合。阀门的设计应该确保功率损失维持在最小的程度，并保证内部零件具有尽可能最长的使用寿命。 阀门可以分为四大类，如图3.3至3.6所示： ◆ 提升阀 ◆ 孔板阀 ◆ 同心环状阀 ◆ 槽状阀 阀门材料7,8 阀座与阀限位器 阀座与阀限位器通常由相同的材料制成。其中许多为铸件，通常由球墨铸铁制成。其他一些则由棒料加工而成。若应用在无腐蚀性的环境中，最普遍的制造材料是球墨铸铁和低碳钢。而对于高腐蚀性的环境，则使用17-4 PH、410 或者 300系列不锈钢。 弹簧 弹簧是压缩机阀门中受压力最大的部件，往往是导致阀门失效的重要因素之一。 铬硅和铬矾具有非常好的机械性能。两者均可用于制造弹簧钢丝。哈斯特镍合金和铬镍铁合金通常用于腐蚀性应用中，但是他们在动态应用中相对较弱。诸如埃尔吉洛伊耐蚀游丝合金（Elgiloy）和MP35N这类高钴含量的金属也被用于腐蚀性环境中。这些材料具有良好的耐腐蚀性能，并且其机械性能优于哈斯特镍合金和铬镍铁合金，但是也更加昂贵。 运动部件 运动部件可能会接触到腐蚀性物质，并且要承受较大的应力。所以，材料选择对于阀门的正常工作非常重要。这是过去20年来取得最显著技术进步的领域。 早期的阀门设计使用金属片，它们价格低廉，能够承受高压差，且不受高温的影响。但是，它们容易出现冲击疲劳，易遭受腐蚀损坏，对灰尘和碎屑非常敏感。 相比金属元件而言，塑料材料具有以下优点： ◆ 与金属片相比，它们能够承受的冲击速度更高。这使得它们适用于较高的提升力和速度，并令它们对气体中常见液体具有更高的耐受力。 ◆ 对于处理气流中普遍存在的大部分腐蚀性元素，它们都具有耐腐蚀性。 ◆ 它们将构成阀座的外形，并提供更好的密封性。 ◆ 将塑料应用到无润滑机械中是非常容易的，因为它们能够相对金属零件工作，而不引起过度的磨损。 ◆ 塑料元件有助于减小阀座上的磨损。 ◆ 少量的灰尘或者金属进入塑料元件中不会导致故障。 ◆ 塑料元件如果发生破损或者落入气缸内，不容易损伤其他的部件，例如气缸套、活塞环和支撑带。 纯尼龙太易毁坏，不能承受大部分压缩机的排气温度。尼龙片在工作中容易发生膨胀或者扭曲，从而使形状改变。PEEK（聚醚醚酮）是目前应用得最为普遍的一种阀门元件制造材料，也是用于制造可承受高达35MPa压力的活塞环的标准材料。相比于尼龙而言，它具有以下优点： ◆ PEEK具有的温度阈值能够确保承载性能和尺寸在高温下保持稳定。 ◆ 拉伸强度、抗弯强度和耐压强度在高温下保持不变。 ◆ 它不易发生挠曲疲劳。 ◆ 它具有较低的吸水率，可保证尺寸完整性。 ◆ 它在高温下不易发生变形。 但是，标准PEEK有一个缺点，即比较难以模塑成型。于是研发出了一种名为“Easy Flow”的低粘度材料，以便能够在较低压力下浇铸PEEK。它和标准的PEEK一样坚固，但是在低冲击速度下，Easy Flow片会因为脆性断裂而失效。 虽然PEEK是一种更为昂贵的材料，我们仍不建议使用“环保橡胶”，因为经验表明，它会严重削弱阀门元件的性能。 活塞杆填料密封 活塞杆密封件是关系到往复式压缩机可靠性的第二重要的元件，并且是最可能造成处理气体泄露，从而引发危险的一个途径5。包括PEEK在内的一系列先进材料能够保证活塞杆密封件在任何工况下都具有最佳性能4。 工作压力超过2.5MPa的润滑填料密封和所有无润滑填料密封都经过冷却。填料盒由不锈钢制成。填料组配置有一条或两条气体回收管道，或者配有惰性气体或脱硫气体净化器。在必要时还可以采取零泄漏的布置方式4。 填料环通常采用与活塞环和支撑带相同的塑料材料制成。 润滑系统 根据压缩过程的需要和客户的规定，缸膛和填料函可能有润滑、最小润滑或者无润滑三种工作方式。气缸润滑属于强制给料类型。可以采用单泵点、分隔块或者这两种系统的组合4。 曲轴齿轮由一个强制给料系统来提供润滑。它由油罐、泵、过滤器和冷却器组成。润滑油被泵送至曲轴的主轴承、连杆的大小端轴承，以及通过曲轴和连杆凹槽的十字头销和滑块。 气体冷却器 这些部件用于在各压缩级之后（级间冷却器）或者在压缩过程结束时（最终冷却器）对气体进行冷却。冷却器的种类繁多，但是应用得最为普遍的是具有多种设计形式的壳型和管型冷却器（直管或者U形管、固定头或者浮动头、水平式或者立式壳）。图3.7展示了一个例子。通常冷却介质是淡水，偶尔使用海水。在工业实践中，小型压缩机常常使用空气做为冷却流体，同样地，也可在其他的一些应用中使用空气。还有一些其他的现代设计形式，例如壳式和板式环形冷却器。 分离器 分离器和导管安装在气体冷却器之后，用于从被压缩气体中分离出油和水。改变方向和突然减小气流速度会造成惯性分离现象。最常用的设计方案是旋流式。 在首级气缸的上游安装一个带有引流装置的真空圆鼓也是一个很好的举措。 脉动阻尼器 脉动阻尼器是一种大容量管道，经过各级处理之后的压缩气体从这里被排放掉。脉动管道应该具有大小合适的尺寸，以便对气流进出往复式压缩机气缸时产生的脉动效应进行控制。 波动的能量输入会导致管道失效、效率降低以及容量受限9。脉动还会改变阀门运动的时间，使效率和可靠性下降5。 应该对管嘴的布置方式进行优化，使残余振动力减至最小。在具有高动态流量调节装置处的开孔能够有效、方便地通过相关的声响应模式（acoustic mode of response）来控制脉动程度。但是，需要认真考虑开孔的整体成本效应，特别是当燃料使用对于生命周期成本有着重大影响的时候9。 本系列文章的第4部分将讨论第二大类气体压缩机——离心式压缩机的机械构造，以及它们的一些重要工作特点。敬请关注本杂志的后续连载。 参考文献： [1] E. Larralde and R. Ocampo, ‘Selection of gas compressors: part 1’, World Pumps, No. 536, pp. 24–28, (May 2011). [2] E. Larralde and R. Ocampo, ‘Selection of gas compressors: part 2’, World Pumps, No. 539, pp. 36–43, (September 2011). [3] Nuovo Pignone SpA, HE-S Reciprocating Compressor, COMK/MARK 895/II, GE Oil & Gas (2008) [available from: site.ge-energy. com/businesses/ge_oilandgas/en/prod_serv/prod/compressors/en/downloads/he_super.pdf ]. [4] Nuovo Pignone SpA, Reciprocating Compressors, RECIPBR-12/05, GE Oil & Gas (2005) [available from: http://site.ge-energy.com/businesses/ge_oilandgas/en/prod_serv/prod/compressors/en/downloads/recip_comp.pdf ]. [5] A. Almasi, ‘Reciprocating compressor optimum design and manufacturing with respect to performance, reliability and cost’, World Academy of Science, Engineering and Technology, 52, pp. 48–53, (2009). [6] H.P. Bloch and J.J. Hoefner, Reciprocating Compressors: Operation and Maintenance, Gulf Professional Publishing Co, p. 209, (1996). [7] S.M. Leonard, ‘Increasing Reliability of Reciprocating Hydrogen Compressors’, Hydrocarbon Processing, pp. 67–74, (January 1996). [8] S. Foreman, ‘Compressor Valves and Unloaders for Reciprocating Compressors – An OEM’s Perspective’, Dresser-Rand, NY, USA, (1999) [available from: www.dresserrand.com/techpapers/tp015.pdf ]. [9] A. Eijk, J.P.M. Smeulers, L.E. Blodgett and A.J. Smalley, ‘Improvements and Extensions to API 618 Related to Pulsation and Mechanical Response Studies’, Proceedings of the 1st European Forum for Reciprocating Compressors, Dresden, Germany, pp. 85–94, (November 1999).(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/9/2012)