王健
沈阳鼓风机集团股份有限公司 辽宁沈阳 110869
摘要：离心式空压机市场需求量大，外资企业仍然占有市场的大部分份额，沈鼓通过自主研发，开发出满足API672标准的空压机，现针对执行API672标准的空压机产品进行案例分析。
关键词： 离心压缩机 API672 产品案例 有限元分析
Abstract：The market demand for centrifugal air compressors is large, and foreign-funded enterprises still occupy most of the market share. Through independent research and development, SBW has developed an air compressor that meets the API672 standard. Now, a case study is made for the air compressor products that implement the API672 standard. analysis.
Key words: Centrifugal compressor; API672; Product Case; Finite element analysis
引言
国外平行轴组装式压缩机的发展始于上世纪60年代初，主要应用于空分装置及动力站，发展至今天，产品技术已日趋成熟，技术经济指标比较先进。沈鼓80年代初及90年代中期先后引进日本日立公司DH型、德国德马格（现并入西门子）公司VK8压缩机设计制造技术，通过十余年的消化和发展，取得了多项科研成果，形成了自己的平行轴组装式系列产品，至今已取得了600多套业绩。2015年以来，沈鼓多轴压缩机取得API Q1质量体系认证证书，机组的各项技术性能指标达到了API标准的要求，产品的技术水平达到了国际同类产品先进水平。
现针对沈鼓执行API672标准的空压机产品进行案例分析：
一、API672基本设计章节规定压缩机的组成：
1.整体齿轮增速离心空气压缩机；
2.联轴器及其护罩；
3.底座（或结构架构）；
4.中间冷却器、后冷却器、水气分离器和排放系统；
5.润滑油系统；
6.控制和仪器仪表；
7.驱动机；
8.级间送气管；
9.进口膨胀节和排放口膨胀节；
10.本标准提到的辅机设备。
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二、承压机壳的设计
API672标准6.1.2章节规定任何材料的承压机壳，其设计压力值不应超过材料在最高规定工作温度下的极限压力的25%。卖方应规定出来自国际公认标准的极限压力值。对于铸造材料，铸钢的系数为0.8，铸铁和球墨铸铁的系数为0.9（提供铸件无损检测的除外），铸件厚度应该适合于最高的工作压力和试验压力并应包括至少3mm（0.125in）的腐蚀裕度。
本产品压缩机蜗壳的材料为HT250，取弹性模量为155 GPa，泊松比0.27，材料密度7340 kg/m3。取ANSYS单元类型SOLID187进行网格划分。蜗壳有23941个单元，47785个节点；考虑水压试验及结构自重，进行结构强度分析：
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根据API 672 标准中6.1.2章节规定，本材料的许用拉应力(Sm=0.25×0.8×Sb)为50MPa。图4 所示为蜗壳在6 kg/cm2 水压试验工况下的拉应力分布云图，其最大拉应力为32MPa，小于材料的许用拉应力，满足API 672标准要求。
三、叶轮的设计
根据API 672 标准中6.5.2章节规定，叶轮应为不锈钢材质，经铸造或锻造而成。
8.3.3.1章节规定应完成叶轮转速达到额定转速的115%的超速试验，持续时间为1分钟，应检查叶轮的尺寸变化及高应力区的开裂情况。
现对叶轮进行应力与变形分析：
用SolidWorks进行实体建模。叶轮基本参数为
超转转速
r/min 工作转速
r/min 重量
kg 重心
mm 极转动惯量
kg-m2 直径转动惯量
kg-m2
叶轮 14370 12496 143.8 61 3.297 2.127
叶轮材料为马氏体沉淀硬化不锈钢FV520B，弹性模量200GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，屈服强度1029MPa。利用ANSYS软件进行有限元分析，网格尺寸11，单元类型SOLID187，单元数17978，节点数30854；在柱坐标系下，对叶轮端齿把合面以及进口端面轴向、周向约束。
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在超转转速下，01叶轮的应力可通过以上工作转速下的计算值乘以转速比平方的计算方法得到，即01叶轮在超转转速下的最大等效应力为768MPa。在工作转速下，01叶轮的进口径向变形结果如图3.2所示，叶轮进口径向变形值为0.105mm：01叶轮的出口轴向变形结果如图3.3所示，出口轴向变形值为0.220mm。
结论：本产品叶轮在工作转速下，强度及变形满足API标准要求。
四、转子动力学分析
1、转子模型：
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2、转子组转速：2984/20339/24931 RPM
3、电机功率：3500kW（2P）
4、轴承数据：
5、转子结构简图：
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6、不平衡相应曲线
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7、结论
不平衡响应计算（使用RBSP程序对转子进行不平衡响应分析）
一阶临界转速r/min 11152/14994 AF<2.5
处于临界阻尼状态，不要求
隔离裕度
一阶放大系数AF 10.12/18.84
要求的隔离裕度SM 15.16/15.62
实际隔离系数SM 45.16/39.86
AF=2.5-3.55隔离裕度在Nmax以上，
高于Nmax的15%；在最低运行转速以下，低于最低运行转速的5%；
如果AF>3.55，且临界响应峰值的转速低于最低运行转速，则要求的隔离裕度(最低转速的百分比)按下式计算
如果AF>3.55，且临界响应峰值的转速高于跳闸转速，则要求的隔离裕度(最高连续转速的百分比)按下式计算：
转子临界转速符合API72要求。
结论：转子结构设计合格。
五、曲线
API672标准9.2.4.1章节规定卖方应提供包含运行工况点的整个性能曲线，并在图上标明边界。9.2.4.3 章节曲线应包括出口压力和制动马力相对于输出的标准流量的图，曲线应指明喘振点、额定流量点和任何其它规定的运行点，还应提供当偏离设计进口条件时节流影响的曲线。
图12为满足API672标准制作的预期性能曲线
离心式空气压缩机市场需求大，随着空气压缩机行业的迅速发展，空气压缩机市场集中度逐渐提高，目前我国离心式空气压缩机市场，外资企业仍然占有市场的大部分份额。沈阳鼓风机集团有限公司结合企业多年科研成果，采取产学研合作的方式，完成了遵循API672标准的SVK系列多轴组装式离心压缩机开发研制工作，产品的技术水平达到了国际同类产品先进水平，提高了国产离心空压机的市场竞争力。