燃氣透平式壓縮機的結構設計,燃氣,透平,壓縮機,結構設計 畢 業(yè) 論 文 離心式壓縮機的設計 姓 名 院（系） 機電工程學院 專業(yè)班級 機械設計制造及其自動化081 學 號 指導教師 職 稱 論文答辯日期 2012年5月20日 仲愷農業(yè)工程學院教務處制 學生承諾書 本畢業(yè)設計是在老師的指導下獨立完成，沒有抄襲別人的結果。畢業(yè)設計所采用的數(shù)據及原理除小部分是通過查找相關文獻資料得到，其余數(shù)據都是來自計算，絕對沒有捏造成分。本人鄭重承諾：本人愿對文章負全部責任！ 本人簽名： 二零一二年五月十日 摘 要 3 1 前言 5 1.1 離心式壓縮機技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 5 1.2 離心式壓縮機發(fā)展方向 6 2. 離心壓縮機氣動參數(shù)計算 8 2.1 原始數(shù)據 8 2.2 進氣道參數(shù) 9 2.3 壓縮機葉輪參數(shù) 10 2.4 無葉擴壓器段參數(shù) 15 2.5 葉片擴壓器參數(shù) 17 2.6 蝸殼參數(shù) 19 2.7 壓縮機參數(shù)校核 20 2.8 軸的強度校核 21 2.9 軸承和鍵的選擇 21 2.10 軸承蓋的參數(shù)計算 21 3 結論 22 參 考 文 獻 23 致 謝 24 摘 要 離心式壓縮機的用途很廣。例如氨化肥生產中的氮、氫氣體的離心壓縮機，空氣分離工程、煉油和石化工業(yè)中普遍使用的各種壓縮機，天然氣輸送和制冷等場合的各種壓縮機。在動力工程中，離心式壓縮機主要用于小功率的燃氣輪機、內燃機增壓以及動力風源等。 本課題研究的內容是設計一臺離心式壓縮機。葉輪和擴壓器是離心式壓縮機的關鍵部件，葉輪設計制造的好壞及其與擴壓器的匹配將對壓縮機的性能產生決定性的影響。 關鍵詞：進氣道 葉輪 擴壓器 英 文 摘 要 The Design of Centrifugal Compressor Abstract:Centrifugal compressor is very versatile. A variety of occasions such as nitrogen, hydrogen, ammonia fertilizer production in the centrifugal compressor, air separation engineering, commonly used in the refining and petrochemical industries, compressors, natural gas transportation and refrigeration compressors. In power engineering, the centrifugal compressor is mainly used for low-power gas turbines, internal combustion engine supercharged and dynamic wind source. The content of this research is the design of a centrifugal compressor. Impeller and diffuser is a key component of the centrifugal compressor impeller design and manufacture of the good or bad a decisive impact on the match will be the compressor diffuser performance. Key words:Inlet;Impeller;Diffuser 1 前言 1.1 離心式壓縮機技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 離心式空氣壓縮機屬于速度式壓縮機，在用氣負荷穩(wěn)定時離心式空氣壓縮機工作穩(wěn)定、可靠。 優(yōu)點是 　　①結構緊湊、重量輕，排氣量范圍大； 　?、谝讚p件少，運轉可靠、壽命長； 　?、叟艢獠皇軡櫥臀廴?，供氣品質高； ④大排量時效率高、且有利于節(jié)能。 目前離心式壓縮機發(fā)展趨勢是：容量不斷增大，以滿足石化生產規(guī)模不斷擴大的要求隨著新技術的發(fā)展，新型氣體密封、磁力軸承和無潤滑聯(lián)軸器的出現(xiàn)，不斷開發(fā)高壓壓縮機和小流量壓縮機產品進一步研究三元流動理論，不僅應用到葉輪設計，還發(fā)展到葉片擴壓器靜止元件設計中，以期達到最高的機組效率低噪聲化，采用噪聲防護以改善操作環(huán)境。 　　國內可以生產石化用離心壓縮機的制造企業(yè)主要有沈陽鼓風機廠、上海鼓風機廠、陜西鼓風機廠等。他們引進國外技術，經過消化吸收，可以生產石化用大型離心壓縮機。沈陽鼓風機廠從意大利新比隆公司引進了MCL、BCL、PCL三個離心壓縮機系列的全套設計制造專利技術從日本日立公司引進了DH型離心壓縮機、HS型工業(yè)冷凍機設計制造專利技術，從美國費城齒輪公司引進了MHS、HS、HSS、HSD四個系列的高速齒輪變速器的設計制造專利技術從德國德馬格公司引進了VK8型組裝式離心壓縮機設計制造專利技術和從日本川崎重工株式會社引進了GM型污水處理鼓風機技術。沈陽鼓風機廠生產的離心壓縮機在國內石化企業(yè)已經應用200多臺，市場占有率已達80以上。沈鼓廠生產的300萬t/a催化裂化裝置富氣壓縮機進口流量達到81 600Nm 3 /h，功率達到7 166kW離心式循環(huán)氫壓縮機流量達到250 000Nm 3 /h，功率達到1 600kW，出口壓力達到18MPa，已經應用于120萬t/a加氫裂化裝置沈鼓廠自行設計、制造的裂解氣壓縮機流量達到120 000Nm 3 /h，功率達到18 000kW同國外合作設計、制造的丙烯壓縮機流量達到58 000Nm 3 /h，功率達到7 500kW乙烯壓縮機流量達到74 000Nm 3 /h，功率達到5 500kW，已經應用到30～50萬t/a乙烯裂解裝置。沈鼓廠自行設計和制造的大化肥裝置的空氣壓縮機、天然氣壓縮機、氨壓縮機、二氧化碳壓縮機已應用于20～30萬t/a化肥裝置沈鼓設計制造的空氣壓縮機流量達到220 000Nm 3 /h，功率達到17 580kW，已經應用于40 000Nm 3空分裝置[1]。 目前國內離心壓縮機在高技術、高參數(shù)、高質量和特殊產品方面還不能滿足國內需要。另外在技術水平、質量、成套性上和國外還有差距。隨著石化生產規(guī)模不斷擴大，離心壓縮機大型化方面面臨新的課題。100萬t/a乙烯三機中的裂解氣壓縮機，進口流量達到403 000kg/h，出口壓力達到3.89MPa，軸功率達到45770kW。45萬t/aPTA裝置原料空氣壓縮機帶尾氣透平進口流量162 413Nm 3 /h，進出口壓力0.1/1.46MPa，軸功率22 000kW,國內在設計制造這些大型氣體壓縮機上還沒有成熟的經驗。 因此，對離心式壓縮機的設計理論進行深入、系統(tǒng)的研究非常有必要，從而設計出符合實際工作要求的離心式壓縮機。 1.2 離心式壓縮機發(fā)展方向 大型離心壓縮機組屬技術密集型、高難度產品，必須擁有先進的專業(yè)設計制造技術。由于化工和石油化工裝置不斷向大型化發(fā)展，用戶對壓縮機組的能耗、可靠性、配套水平等技術指標的要求也越來越高。 在二氧化碳壓縮機方面，過去出現(xiàn)了一些壓縮機性能與工藝條件不匹配的事故。現(xiàn)在西安交大、沈陽鼓風機廠都有自己的二氧化碳閉式試驗臺，問題已得到解決。因此，對大型化肥和石油化工壓縮機的改進已基本上集中在壓縮機性能本身的改進上。目前，世界上先進的壓縮機制造廠家都在致力于這方面的研究。如在壓縮機的氣動性能設計上使用的程序，能夠適用于幾百個大氣壓，在近臨界區(qū)域條件下適用于幾十種復雜氣體，大大提高了計算精度；在轉子穩(wěn)定性研究上，已經研制出超二階、三階的高柔性轉子，并已成功使用；還在部件成套技術上有了很大發(fā)展，如在密封、軸承、調節(jié)系統(tǒng)、輔機配套水平等方面。因此，如何跟蹤世界上先進的壓縮機設計制造技術是當務之急。 大型離心壓縮機組的改進，需要加強以下方面研究。 1．三維工程設計CAD開發(fā)。采用三維工程設計可以優(yōu)化設計機組布置，使機組布置美觀，且具有自動進行干涉檢查的功能，避免設計缺陷。能夠自動進行結構分析，提高設計精度和設計效率。CAD的主要開發(fā)內容有：建立三維實體造型設計模型，建立三維實體設備圖庫、數(shù)據庫等。 2．轉子--軸承系統(tǒng)動力特性設計專家系統(tǒng)的開發(fā)。在設計過程中，當轉子--軸承系統(tǒng)動力特性不能滿足設計規(guī)范的要求，或已經制造出來的機組出現(xiàn)振動過大、運行不穩(wěn)定等情況時，就必須修改原機組的結構參數(shù)、物性參數(shù)值。但是影響轉子--軸承系統(tǒng)動力特性的結構參數(shù)有很多，修改哪一個或幾個結構參數(shù)最有效，能立竿見影地解決設計和機組穩(wěn)定運行問題，是建立該專家系統(tǒng)軟件的目標。主要研究內容有：各種轉子結構、軸承結構參數(shù)對轉子--軸承系統(tǒng)動力特性的影響、建立智能型專家系統(tǒng)設計計算軟件包等。 3．智能型計算機控制系統(tǒng)開發(fā)。目前世界上已廣泛采用了微機控制的三重冗余、容錯控制器、多功能防喘振、性能調節(jié)、安全保護綜合控制系統(tǒng)，使離心壓縮機控制由傳統(tǒng)的模擬儀表控制變?yōu)槎喙δ艿膶＜铱刂葡到y(tǒng)。主要研究內容有：研制大化肥裝置用離心壓縮機組專用的、具有防喘振、性能調節(jié)、安全保護的數(shù)字式微機綜合控制系統(tǒng)[2]。 2. 離心壓縮機氣動參數(shù)計算 2.1 原始數(shù)據 1) 空氣流量m: 2.5kg/s 2) 壓強比: 2.4 3) 環(huán)境壓強p: 1.01310Pa 4) 環(huán)境溫度T: 293K 5) 環(huán)境密度: 1.205kg/m 6) 空氣氣體常數(shù)R: 287J/(kg.K) 7) 空氣絕熱指數(shù)k: 1.4 8) 2.2 進氣道參數(shù) 吸氣室是為了把氣體從進氣管或中間冷卻器引到工作葉輪中去。設計時應盡量減少氣體的流動損失，避免出現(xiàn)氣流局部降速和分離。吸氣室的出口氣流要均勻，不產生切向的旋繞，以保證葉輪進口有均勻的速度場與壓力場。除了上述氣動要求外，還要注意到加工制造的方便。 吸氣室的形式較多，常見的有：軸向進氣的吸氣管、徑向進氣的進氣管、雙支承軸承所采用的徑向吸氣室、水平進氣所采用的進氣室。 本設計采用的是軸向進氣的吸氣管，如圖1，這種進氣管形狀最簡單，一般用于單機懸臂式鼓風機或增壓器中。進氣管可做成收斂狀，以使氣體能均勻進入后面的葉輪。這種進氣管形狀簡單，氣流均勻，損失較小，故比其它形式的具有較好的性能。 圖1 9) 葉輪對氣體所做的絕熱壓縮功l l==83739J/kg 10) 葉輪出口的圓周速度 =346m/s(取=0.70) 11) 取進氣道出口的速度C(=50~150m/s) 取 C=100m/s 12) 進氣道內空氣降溫 ==4.98K 13) 進氣道出口溫度T T=T-=288.02K 14) 進氣道多變指數(shù)n(=1.37~1.39) n=1.37 15) 進氣道出口空氣壓強p p==0.9510P 16) 進氣道出口空氣密度 =1.15kg/m 17) 進氣道出口面積f f=217cm 2.3 壓縮機葉輪參數(shù) 壓氣機葉輪一般分為兩部分：前一部分為導風輪，后一部分叫工作輪。這是由于壓氣機葉片前緣部分彎曲較大，形狀復雜。大型的壓氣機為了便于制造把前后二部分分開制造，而形成兩個輪子。尤其實對于徑向直葉片的工作輪（如圖2），前面設導風輪是必要的。因為葉輪進口處從輪轂到輪緣的半徑是變化的，圓周速度也就是變化的，那么進口氣流角是變化的。全進口葉片角為，那么 ?????????? ??????????????????? 式中為沖角，那么葉輪進口葉片角也是變化的。 圖2 徑向直葉片式的葉輪 導風輪也是一個擴張性流道，出口速度大于進口速度，故氣體靜壓有所提高。 葉數(shù)的結構形式分為以下幾種： （1） 閉式葉輪，由于輪盤、葉片、輪蓋三部分組成，由于輪蓋的強度不夠，使葉輪的轉速受到限制，一般閉式葉輪的周圍速度在320m/s以下。 （2） 半開式葉輪，這種葉輪強度和剛度均好，可達到450～540m/s圓周速度，用于高壓比，高轉速壓氣機中，在內燃機的透平增壓器和小功率燃氣輪機中得到廣泛應用。 （3） 此外還有雙進氣葉輪，全開式葉輪。 本設計采用半開式葉輪。 18) 取葉輪外徑D D=290mm 19) 轉速n n==22798r/min 20) 取葉輪進出口直徑比D 取 =0.7 21) 導風輪進口外徑 =203mm 22) 導風輪進口內徑 ==116mm（取110mm） 23) 導風輪進口平均直徑 =163mm 24) 導風輪進口外徑處的圓周速度 =242m/s 25) 導風輪進口處的圓周速度 =194m/s 26) 導風輪進口處的圓周速度 =131m/s 27) 導風輪葉片 =17~37 取 =20 28) 取導風輪進口的阻塞系數(shù) =0.85~0.95 取 =0.90 29) 導風輪進口軸向速度 111m/s 30) 導風輪進口相對速度 266m/s 31) 導風輪進口馬赫數(shù) 0.782 （0.782<0.9滿足條件，如果>0.9則需要重新調整參數(shù)、重新計算） 32) 導風輪進口處的氣流角 = 33) 導風輪進口處的氣流角 34) 導風輪進口處的氣流角 35) 取沖角i i= 36) 導風輪進口處的葉片角 = 37) 取工作輪葉片數(shù) 38) 滑移系數(shù) 39) 工作輪出口氣流圓周向分速 287m/s 40) 工作輪出口氣流徑向分速 取 111m/s 41) 工作輪出口氣流速度 308m/s 42) 工作輪出口氣流角 43) 取工作輪出口葉片角 （徑向直葉片） 44) 取工作輪出口葉片厚度 1.6mm 45) 工作輪出口阻塞系數(shù) 0.965 46) 取工作輪出口氣流密度 取 =1.68kg/m 47) 葉輪出口寬度 15.3mm 48) 取輪阻損失系數(shù) 取 49) 葉輪出口氣溫 =350K 50) 取葉輪多變效率 取 =0.83 51) 多變指數(shù)項 52) 多變指數(shù) 1.52 53) 葉輪出口氣體壓強 1.68 54) 葉輪出口氣體密度 =1.67kg/m 55) 氣體密度誤差 =0.60%<2% 56) 葉輪出口馬赫數(shù) 0.82 <1認可 2.4 無葉擴壓器段參數(shù) 57) 無葉擴壓器寬度 58) 入口氣流周向分速 =287m/s 59) 入口氣流徑向分速 =107m/s 60) 入口氣流角 = 61) 入口氣流速度 =306m/s 62) 入口氣流溫度 =350.61K 63) 入口氣流壓強 =1.69 64) 入口氣流密度 =1.68kg/m 65) 取出口直徑比 取為1.16 66) 出口直徑 =336mm 67) 出口密度（?。? 1.78kg/m 68) 出口氣流速度 =249m/s 69) 出口氣流溫度 366K 70) 馬赫數(shù) =0.65<0.95認可 71) 取多變效率 取為0.60 72) 多變指數(shù)項 =2.1 73) 出口空氣壓強 =1.86Pa 74) 出口空氣密度 =1.77kg/m 75) 密度誤差 0.56%<2% 76) 出口寬度 15.3mm 77) 出口徑向分速 =87.5m/s 78) 出口周向分速 =233m/s 79) 出口氣流角 = 80) 長度 23mm 2.5 葉片擴壓器參數(shù) 81) 取直徑比 取為1.50 82) 出口直徑 435mm 83) 出口寬度 15.3mm 84) 進氣口沖角 取 85) 葉片進口角 86) 葉片出口角 = 87) 葉片進口阻塞系數(shù) ，取=0.9 88) 進口通道面積 =56cm 89) 葉片數(shù) ，取29 90) 進口喉部寬度 12.6mm 91) 設出口氣流密度 =2.01kg/m 92) 出口氣流速度 =97m/s 93) 出口空氣溫度 =392K 94) 多變效率 ，取為0.8 95) 多變指數(shù)項 =2.8 96) 出口空氣壓強 97) 出口空氣密度 =0.49%<2% 2.6 蝸殼參數(shù) 98) 蝸殼出口氣流速度 =60m/s 99) 出口空氣溫度 =395K 100) 多變效率 ，取為0.60 101) 多變指數(shù)項 102) 出口壓強 103) 蝸殼出口密度 kg/m 104) 出口滯止溫度 =396.8K 105) 出口滯止壓強 2.7 壓縮機參數(shù)校核 106) 壓強比 2.39 107) 滯止壓強比 =2.43 108) 等熵壓縮功 l==83194J 109) 壓強系數(shù) =0.695 110) 絕熱效率 =0.77 111) 功率 =262kW 2.8 軸的強度校核 112) 軸的材料選45鋼，=25 軸的扭轉強度條件為 可得軸的直徑 軸上有兩個鍵槽，應增大 (取30mm) 2.9 軸承和鍵的選擇 查閱機械設計手冊，選用61806-2RZ型深溝球軸承，油潤滑 葉輪與軸采用雙平鍵聯(lián)接，鍵的規(guī)格為：鍵寬12，鍵高8，長度50，B型，代號B 2.10 軸承蓋的參數(shù)計算 軸承蓋采用透蓋凸緣式，鑄鐵制造，無套杯，螺釘選用開槽盤頭螺釘GB/T67 M412,材料為鋼 113) e=1.2d=4.8mm,d-軸承蓋螺釘直徑 114) mm 115) mm 116) ,取為36mm 117) mm 3 結論 經過了幾個月，我總算把畢業(yè)設計這個大難題攻克下來了。期間有過不少的不眠之夜，還有到珠海盈德氣體有限公司實習的經歷。當初決定要做《離心式壓縮機的設計》這課題就是因為被盈德錄用，想做個跟自己以后工作相關的畢業(yè)設計。當初沒有太多考慮做這個課題的難度，后來在資料匱乏的條件下才發(fā)現(xiàn)做起來步步維艱。特別是在繪圖過程中出現(xiàn)了很多問題。比如說繪制葉輪，一開始根本不知道計算出來的參數(shù)在模型上應該怎么表示，結果畫出來的圖總感覺不對勁。后來終于畫出一個自己覺得可以的，過了幾天又感覺不對，又重畫了一個。因為對proE使用不熟悉，繪圖很不順利，比如想把一個邊界掃描加厚，往往不成功，后來去網上找方法，經過多次嘗試才把問題給解決了。 從一開始我不知道離心式壓縮機是什么，到我完成這個設計，我覺得自己實現(xiàn)了一個巨大的跨越。現(xiàn)在我已經對離心式壓縮機有了一定的理解，這對我以后的工作有很大的幫助。 本設計由于制作時間及本人水平有限，部分細節(jié)難免存在不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！ 參 考 文 獻 [1] 不詳.氣體壓縮機在石化工業(yè)的應用和發(fā)展 [EB/OL]. http://www.asiapump.cn/news/news_info.asp?newsid=8872，2008-11-21 [2] 不詳. 化工用離心壓縮機現(xiàn)狀分析 [EB/OL]. http://www.kongyaji.info/news_view.asp?id=86，2009-11-24 [3] 徐忠.離心式壓縮機原理[M]. 3版. 北京：機械工業(yè)出版社，1988. [4] B.里斯. 離心壓縮機械[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1986. [5] 朱報禎，郭濤. 離心壓縮機[M]. 西安:西安交通大學出版社，1989. [6] T. B. 弗格遜. 離心壓縮機的級[M]. 1980. [7] 吳玉林，陳慶光，劉樹紅. 通風機和壓縮機[M]. 北京：清華大學出版社，2005. [8] 吳克啟. 透平壓縮機械[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003. [9] 陸玉，馮立艷. 機械設計課程設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006. [10] 濮良貴，紀名剛，陳國定等. 機械設計[M]. 北京：高等教育出版社，2006. [11] 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2004. 致 謝 本文是在劉江濤老師悉心指導下完成的。他廣博的專業(yè)知識、嚴肅的科學態(tài)度、精益求精的工作作風深深地影響著我，這一切使我受益匪淺。他經常從百忙中抽時間解答我們遇到的問題，并悉心指導我們下一步的工作。在此我表示衷心感謝，并致以崇高的敬意。 要感謝學校和學院四年的專業(yè)栽培，并給我們良好的學習和生活環(huán)境。 最后感謝所有關心、支持和幫助過我的老師、同學、同事和朋友。