某SO2风机转子国产化设计与临界转速校核*

黄文俊 于跃平 朱晓农 陈启明 胡四兵

(合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室)

某SO2风机转子国产化设计与临界转速校核*

黄文俊**于跃平 朱晓农 陈启明 胡四兵

(合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室)

结合SO2风机转子的原始数据和要求，进行转子的研究和国产化设计。论述了设计备用转子的主要因素和重要零部件的计算方法，为SO2风机国产化提供依据与指导。

SO2风机 国产化 转子

铜冶炼烟气制酸系统主要包括净化工序、干吸工序和转化工序，其中，SO2风机是实现该系统循环的关键动力设备，该风机能否正常使用，直接影响到整个制酸系统的运行。为保证硫酸系统运行稳定，大中型铜冶炼烟气制酸装置基本上采用进口SO2风机，单台配置[1～4]。某铜冶炼厂SO2风机是从美国GE公司进口的，自2006年投产以来机组运行正常。但叶轮叶片腐蚀磨损严重(该风机无备用转子)，存在安全运行隐患。从原厂进口备用转子供货周期长、价格高，因此，笔者对原转子进行测绘和分析研究，寻求国产化改造方案。

1 工程背景

SO2风机位于干燥塔下游，硫酸和颗粒很容易被带入其中并在叶轮、入口导向叶片和壳体上沉积。风机损坏的主要机理为：从干燥塔带入的颗粒造成的磨损，SO2气体和硫酸造成的腐蚀。长期的操作经验表明，磨蚀是主要的磨损机理。某铜冶炼厂SO2风机为单级悬臂离心式，滑动轴承支撑，半开式叶轮，该风机主要技术参数为：

进口流量 149 760m3/h

压升 55kPa

工作转速 2 980r/min

电机功率 3 400kW

叶轮直径 1 524mm

叶片数 18只

叶轮材料 AISI 4340

主轴材料 AISI 4140

叶轮腐蚀磨损主要集中在叶片边缘和压力面，尤其是叶片顶部边缘腐蚀磨损严重，如图1所示。

图1 叶片腐蚀磨损部位局部放大图

2 转子测绘和分析研究

由于叶轮拆卸困难，测绘时未将其拆除，图2为转子测绘图，主轴从右端起依次为联轴器段、油封段、联轴器侧径向轴承及测振段、推力轴承段、叶轮侧径向轴承及测振段、碳环密封段和叶轮安装段。除叶轮安装段外，其余轴端尺寸数据已固化，叶轮安装段的轴径通过对临界转速校核计算进行确定。

将关键部位测绘数据与原厂提供的技术资料进行核对，进一步验证测绘数据的准确性，以确保国产化转子与原转子几何尺寸一致性的要求。部分关键尺寸对比见表1。

图2 转子测绘示意图

表1 部分关键尺寸对比 mm

原叶轮、主轴材料均为高强度合金钢，强度能较好的满足要求，但是叶轮材料的耐腐蚀性较差。因此国产化时必须对叶轮材料进行改进，在满足强度要求的同时还需满足耐腐蚀性的要求。

3 转子国产化设计与校核

转子国产化不仅仅是简单的测绘与复制，还要针对运行过程中存在的问题，进行必要的改进设计，以确保转子国产化改造后机组运转更优。

3.1叶轮强度校核

测绘时叶轮内孔孔径未知，从原厂技术资料上只获得叶轮与轴联接为锥面配合联接，为此需对叶轮与轴联接进行设计，以确定过盈量和推进量。从碳环密封轴段处轴肩15mm计，推出叶轮安装轴段轴径，初步确定叶轮轴孔设计尺寸。

采用有限元法对叶轮强度进行校核[5]，应力云图如图3所示。最大等效Von Mises应力为271.4MPa，小于FV520B材料的屈服强度980MPa。

重点分析叶轮与轴过盈量联接问题[5～8]，最小过盈量值可包括在最高工作转速下由离心力作用使轴孔径向变形量、传递转矩所需和预留安全余量；最大过盈量考虑叶轮、轴的强度要求。因此对叶轮的变形进行了计算，图4为叶轮沿径向的变形量，叶轮轴孔处在工作转速下由离心力作用轴孔半径径向平均变形量约为0.045mm。

图3 叶轮应力云图

图4 叶轮径向变形量

根据叶轮轴配合面传递的转矩和材料强度的要求，静态下计算得到最小过盈量为0.02mm，最大过盈量为0.82mm；考虑动态(运转时)下，叶轮不至于松脱，最小过盈量为0.02+0.045×2=0.11mm，最大过盈量仍为0.82mm；考虑在工作转速下叶轮不松脱的余量以及叶轮易于安装，设计过盈量为0.20～0.25mm，根据设计的锥度可得到安装时叶轮推进量。

3.2转子临界转速校核

对于转子的第i个截面，其状态矢量Zi由截面的径向位移xi、挠角αi、弯矩M1和剪力Qi的幅值组成：

(1)

Zi与截面i+1的状态矢量Zi+1之间存在一定的关系，即：

Zi+1=TiZi

(2)

其中Ti为两截面间的传递矩阵。将圆盘和轴段组合成一个构件，经推导可得其传递矩阵为：

(3)

ν=6EJ/(ktGAl2)

(4)

式中A——截面积；

E——材料弹性模量；

G——材料剪切模量；

Id——圆盘的直径转动惯量；

Ip——极转动惯量；

J——轴段的截面矩；

k——支撑刚度；

kt——截面系数；

l——轴段长度；

ν——考虑剪切影响的系数。

可以看出，传递矩阵的诸元素都是转子构件的物理参数和涡动频率的函数。如果构件处没有支承，或不计轴段的剪切影响，或不计圆盘的回转效应和摆动惯性，只需令式(3)中的k、ν、Id或Ip分别为零即可。

根据传递矩阵：

(5)

要满足最左端边界条件和最右端边界条件M1=0，Q1=0，MN+1=0，QN+1=0，则需满足：

(6)

通过Matlab编程迭代计算，对ω先赋予初值，按一定步长增加进行试算，满足式(6)即为转子的临界转速。

根据测绘图进行计算，叶轮质量为1 560kg，采用临界转速计算公式得到一阶临界转速为3 406r/min，工作转速为2 980r/min，不满足刚性转子临界转速设计要求，然而机组实际运转过程中并未发生振动异常。为更精确地核算该转子的临界转速，拟采用自编的传递矩阵法计算转子临界转速。其计算模型如图5所示，轴段分为12段13个截面，两个径向支承分别在截面3和8处，叶轮质量集中在轴段10和11。经计算，该转子一阶横向弯曲振动临界转速为4 276r/min，满足刚性转子设计要求，安全系数为1.43，安全裕度不大。因该转子为国产化改造项目，慎重起见，笔者又利用有限元法对转子的临界转速进行了核算，如图6所示。计算结果为4 605r/min，安全系数为1.55，满足刚性转子设计要求且安全裕度合理。研究两种计算方法的差异，发现自编的传递矩阵法未能考虑推力盘受到的轴向力载荷，这与实际不符。

图6 转子三维网格模型

4 结束语

通过对某铜冶炼厂制酸系统关键设备SO2风机的特点、转子测绘设计和校核的分析表明，该风机转子国产化是可行的。冶炼烟气制酸SO2风机在有色金属冶炼厂大都采用进口设备，单台配置，其转子备件需求量大且相当重要，其国产化对开展烟气制酸技术成套设备国产化将起到积极推动作用。

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[3] 段林乔，江红卫.660kt/a铜冶炼烟气制酸装置工艺简介及改进措施[J].硫酸工业，2008，(6)：14～17.

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LocalizationandCriticalSpeedCheckforSO2FanRotors

HUANG Wen-jun, YU Yao-ping, ZHU Xiao-nong, CHEN Qi-ming, HU Si-bing

(StateKeyLaboratoryofCompressorTechnology，HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)

Having SO2fan rotor’s primary data and specifications considered, the rotor’s localization and investigation were implemented, including the main factors influencing standby rotor’s design and important parts’ calculations. It provides the basis and guidance for the localization of SO2fan.

SO2fan, localization, rotor

*合肥通用机械研究院青年基金资助项目(2012011088)。

**黄文俊，男，1981年8月生，高级工程师。安徽省合肥市，230031。

TQ051.21

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0254-6094(2015)02-0204-04

2014-04-10)