離心式壓縮機設(shè)計-離心壓縮機氣動及結(jié)構(gòu)設(shè)計含6張CAD圖

離心式壓縮機的用途很廣。例如氨化肥生產(chǎn)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(nèi)燃機增壓以及動力風(fēng)源等。本課題研究的內(nèi)容是設(shè)計一臺離心式壓縮機。葉輪和擴壓器是離心式壓縮機的關(guān)鍵部件，葉輪設(shè)計制造的好壞及其與擴壓器的匹配將對壓縮機的性能產(chǎn)生決定性的影響。關(guān)鍵詞：進氣道葉輪擴壓器ignofCentrifugalCompressorAbstract:Centrifugalcompressorisveryversatile.Avarietyofoccasionssuchasnitrogen,hydrogen,ammoniafertilizerproductioninthecentrifugalcompressor,airseparationengineering,commonlyusedintherefiningandpetrochemicalindustries,compressors,naturalgastransportationandrefrigerationcompressors.Inpowerengineering,thecentrifugalcompressorismainlyusedforlow-powergasturbines,internalcombustionenginesuperchargedanddynamicwindsource.Thecontentofthisresearchisthedesignofacentrifugalcompressor.Impelleranddiffuserisakeycomponentofthecentrifugalcompressorimpellerdesignandmanufactureofthegoodorbadadecisiveimpactonthematchwillbethecompressordiffuserperformance.KeywordsInlet;Impeller;Diffuser 趨勢18世紀初期，Papin給出了最早的離心式葉輪機械的設(shè)計方法，在他出版的著作中介紹了離心泵的設(shè)計方法。從那以后，離心式葉輪機械開始逐步得到發(fā)展。19世紀，離心式壓縮機伴隨著葉輪機械理論的發(fā)展而得到了迅速的發(fā)展。在這一時期，LeonhardEular建立了葉輪機械中的基本能量方程；LazareCarnot指出在葉輪進口流體應(yīng)光滑順利的流入葉輪，即零攻角狀態(tài)，他還指出為了獲得高效率應(yīng)減小葉輪出口動能。這一階段的標志性成果是離心壓縮機中開始使用有葉擴壓器。從20世紀開始至今是離心壓縮機技術(shù)迅猛發(fā)展的時代。在這一時期，產(chǎn)生了對離心壓縮機發(fā)展具有劃時代意義的理論和方法。正是這些理論和方法的誕生，使得離心壓縮機在全世界范圍內(nèi)得到了極為廣泛的應(yīng)用。1930年，F(xiàn)rankWhittle申請了他的第一項專利，在國際上首次應(yīng)用了雙向進氣單級離心壓縮機，這個離心壓縮機由軸向透平驅(qū)動,采用雙向進氣不但可以避免在轉(zhuǎn)子進口葉尖產(chǎn)生超音速流動，而且可以減小軸向推力。從那時開始，F(xiàn)rankWhittle就將目標瞄準單級壓比達到4，而此前單級壓比最高值只達到2.5。離心壓縮機因為受旋轉(zhuǎn)、曲率及粘性等諸多因素的影響及相互作用而使其內(nèi)部流動表現(xiàn)為相當復(fù)雜的非定常、有粘性的三維湍流流動。但在早期，因為三元理論及計算手段的缺乏，使得離心壓縮機的設(shè)計主要采用幾何設(shè)計或二維氣動設(shè)計方法進行。20世紀50年代，我國著名的科學(xué)家吳仲華教授提出了對離心壓縮機發(fā)展具有劃時代意義的兩簇流面理論，奠定了葉輪機械內(nèi)部三元流場求解的基礎(chǔ)。他首先提出葉輪機械葉片通道內(nèi)的三元流動可以看作是兩類相交的流面(S1、S2流面，S1流面為是從一個葉片到相鄰葉片之間的周向扭曲流面，S2流面是從輪轂導(dǎo)輪蓋的徑向扭曲流面)之和，這樣就可以把一個復(fù)雜的三元問題轉(zhuǎn)化為兩個二元問題，從而使計算簡化。隨著吳氏三元理論的提出，離心壓縮機的設(shè)計方法開始由幾何設(shè)計或二維氣動設(shè)計向準三維氣動設(shè)計及全三維氣動設(shè)計方法轉(zhuǎn)變。許多國內(nèi)外專家學(xué)者利用這一理論對離心壓縮機進行了研究并取得了許多有益的成果[8]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(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，排氣量范圍大；②易損件少，運轉(zhuǎn)可靠、壽命長；③排氣不受潤滑油污染，供氣品質(zhì)高；④大排量時效率高、且有利于節(jié)能。求隨著新技術(shù)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(chǎn)品進一步研究三元流動理論，不僅應(yīng)用到葉輪設(shè)計，還發(fā)展到葉片擴壓器靜止元件設(shè)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鼓風(fēng)機廠、陜西鼓風(fēng)機廠等。他們引進國外技術(shù)，經(jīng)過消化吸收，可以生產(chǎn)石化用大型SD的高速齒輪變速器的設(shè)計制造專利技術(shù)從德國德馬格公司引進了VK8型組裝式離心壓縮GM風(fēng)機技術(shù)。沈kWNmhkW，出達到5500kW，已經(jīng)應(yīng)用到30~50萬t/a乙烯裂解裝置。沈鼓廠自行設(shè)計和制造的大化m目前國內(nèi)離心壓縮機在高技術(shù)、高參數(shù)、高質(zhì)量和特殊產(chǎn)品方面還不能滿足國內(nèi)需要。另外在技術(shù)水平、質(zhì)量、成套性上和國外還有差距。隨著石化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，1.2離心式壓縮機發(fā)展方向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?，F(xiàn)在西安交大、沈陽鼓風(fēng)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(shè)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(fù)雜氣體，大大提高了計算精度；在轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性研究上，已經(jīng)研制出超二階、三階的高柔性轉(zhuǎn)子，并已成功使用；還在部件成套技術(shù)上有了很大發(fā)展，如在密封、軸承、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輔機美觀，且具有自動進行干涉檢查的功能，避免設(shè)計缺陷。能夠自動進行結(jié)構(gòu)分析，提高統(tǒng)動力特性不能滿足設(shè)計規(guī)范的要求，或已經(jīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)值。但是影響轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，修改哪一個或幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)最有效，能立竿見影地解決設(shè)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(nèi)容有：各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性的影響、建立智能型專家系統(tǒng)設(shè)計計算軟容錯控制器、多功能防喘振、性能調(diào)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(nèi)容有：研制大化肥裝置用離有防喘振、性能調(diào)節(jié)、安全保護的數(shù)字式微機綜合控制系統(tǒng)[2]。成了離心壓縮機后向三元葉輪的設(shè)計，并應(yīng)用激光測試技術(shù)對該葉輪內(nèi)部流場進行了非國內(nèi)在離心壓縮機三元葉輪的各類反命題設(shè)計方法中，以角動量的不同分布來控制葉片幾何型線的方法應(yīng)用較廣[10]。角動量的分布規(guī)律直接決定葉片載荷的大小并影響流動方向、跨盤蓋方向的速度分布，而速度分布對葉輪二次流的強度及葉片表面邊界層的發(fā)展有決定性的影響，這必然影響到對葉輪邊界層損失、分離損失和二次流損失的控制，因此合適的角動量分布是設(shè)計高性能葉輪最有效的手段。席光等人以上文提到的德國宇航院(DFVLR)Krain博士設(shè)計并試驗的后向三元葉輪為研究對象，對其內(nèi)部流動及氣動性能進行了計算，在保留子午型線的前提下，改變角動量分布，對葉片重新設(shè)計，以研究角動量分布對葉輪內(nèi)部三維流場及總體性能的影響，發(fā)展了一種以三維粘性分析王曉峰等人又探討了將離心葉輪內(nèi)部的三維粘性流動求解與試驗設(shè)計技術(shù)以及響應(yīng)面方法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方法。響應(yīng)面方法是試驗設(shè)計與數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合的優(yōu)化方法，在試驗測量、經(jīng)驗公式或數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，對指定的設(shè)計點集合進行連續(xù)的試驗，并在設(shè)計空間構(gòu)造測定量的全局逼近，這樣便可以全面觀察響應(yīng)變量在設(shè)計空間的變化[12]。在詳細探討響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，他們以某工業(yè)離心壓縮機中間級葉輪為研究對象，采用響應(yīng)面方法對其進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明：與原始葉輪相比，性能有較大改為減小離心壓縮機葉輪進口的沖擊損失，降低葉片厚度對進氣的阻塞，避免葉輪出含分流葉片的離心壓縮機級內(nèi)三維粘性流場進行了數(shù)值分析，為該類葉輪的優(yōu)化設(shè)計及改進研究打下了基礎(chǔ)[14]。在此基礎(chǔ)上，劉瑞韜等人又對分流葉片位置對高轉(zhuǎn)速離心壓縮機性能的影響進行了研究，重點分析了分流葉片不同起始位置及不同周向位置對壓縮機內(nèi)三維粘性流場及整級性能的影響。計算結(jié)果表明：采用分流葉片在進口處會減少葉片阻塞；不同分流葉片起始位置時長葉片進口流場具有相同的分布規(guī)律；分流葉片越短，長葉片壓力面無量綱靜壓載荷越大；當分流葉片長度達到某一數(shù)值后，長葉片載荷片數(shù)及分流葉片位置對葉輪性能的影響，并進行了流場分析。分析結(jié)果表明：葉片數(shù)增加使得性能曲線左移，單個葉片載荷減小，損失增加，葉輪效率下降，但是增壓效果得到改善；分流葉片位置靠近主葉片壓力面時，性能曲線右移，流通能力提高，同時會使當分流葉片位置靠近主葉片吸力面時，情況正好相反[16]。楊策等人開發(fā)了一套將初步設(shè)計、性能優(yōu)化計算、性能預(yù)測、葉片成型和葉輪應(yīng)力分析包含在內(nèi)的離心式葉輪輔助設(shè)計系統(tǒng)，并用其設(shè)計出一種小型高轉(zhuǎn)速離心壓縮機，然后對其性能進行了詳細地分析研究。楊策等人的研究結(jié)果表明：在進口條件和轉(zhuǎn)速相同情況下，后向葉輪壓比小于徑向葉輪，效率高于徑向葉輪，后向葉輪的流量特性曲線的斜率大于徑向葉輪的流量特性曲線的斜率，后向葉輪的流量特性更接近軸流壓縮機的特性；頂部間隙增大時，離心壓縮機壓比減小，效率下降；對于小流量的離心壓縮機，葉輪進口彎曲對葉輪在設(shè)計點的絕熱效率影響不大，葉輪出口彎曲對離心壓縮機在設(shè)計點的效率影響很??；葉輪正彎時存在一個最高效率點，當葉輪正彎度大于或小于這個數(shù)值時效率均下降；采用前傾葉輪可以提高壓縮機的效率，但降低了壓縮機的壓比；在較低轉(zhuǎn)速下，前傾葉輪在大部分工作范圍內(nèi)效率高于普通葉輪，在較高轉(zhuǎn)速下，前傾葉輪在全工況范圍內(nèi)效率都高于普通葉輪；前傾葉輪比普通葉輪有更大的喘振裕度，工作范綜上所述，國內(nèi)研究人員對離心壓縮機的研究主要是通過數(shù)值計算來進行，一般是先用自己開發(fā)的計算程序或應(yīng)用軟件計算國外文獻提到的有詳細試驗結(jié)果的離心壓縮機或葉輪(一般多用前文提及的德國宇航院(DFVLR)Krain博士研究的葉輪)，經(jīng)過驗證一直以來，國內(nèi)外在采用先進技術(shù)進行離心壓縮機流場測試方面的研究較之設(shè)計方法的研究則稍顯滯后。運行中的離心壓縮機內(nèi)部流場測試技術(shù)的重大突破是伴隨著激光d國內(nèi)上海交通大學(xué)的繆俊、谷傳綱等人研究了激光相位多普勒測速技術(shù)(PDA)在離前述國內(nèi)外研究人員在各自的研究過程中基本都針對的是較大流量的離心壓縮機，所提及的楊策等人研究的一種小型高轉(zhuǎn)速離心壓縮機其流量也是0.215kg/s，難以完全說明小流量(0.1kg/s以下)下的情形。種小流量高轉(zhuǎn)速的離心壓縮機的研究結(jié)果，結(jié)果表明：小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機在幾何特征與整機性能上與大型離心壓縮機存在區(qū)別，小流量高轉(zhuǎn)速的離心壓縮機在進口處輪蓋與輪轂的直徑比較大，葉輪外徑與進口輪蓋直徑之比及葉尖間隙與葉片高度之比比大型離心壓縮機大許多；在設(shè)計范圍內(nèi)，大型離心壓縮機的流量－壓比曲線要比小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機的流量－壓比曲線平坦得多，這也暗示著小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機與大型離心壓縮機的設(shè)計是有區(qū)別的，大型離心壓縮機設(shè)計的經(jīng)驗方法不能完全應(yīng)用于小流經(jīng)過研究人員的長期努力，對離心壓縮機的研究，無論是設(shè)計理論、方法還是試驗手段都取得了巨大的進步，但因為三維流場本身的復(fù)雜性及相關(guān)技術(shù)發(fā)展的限制，使得葉輪和擴壓器是離心壓縮機的關(guān)鍵部件，葉輪設(shè)計與制造的好壞及其與擴壓器的匹隨著計算機技術(shù)及計算流體動力學(xué)(CFD)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一批可以應(yīng)用于離心等，這些軟件一般都集中了造型、網(wǎng)格生成、流場計算及后處理功能。這些軟件的發(fā)展極大地豐富了三元葉輪的設(shè)計手段，提高了工程設(shè)計的效率，為設(shè)計性能優(yōu)良的三元葉用三元理論設(shè)計的葉輪葉片形狀一般為空間曲面,葉片及葉輪的加工成型是制造的葉片、輪蓋分別加工然后再焊裝；整體銑制，也就是輪盤和葉片在一起利用多坐標設(shè)備在離心壓縮機的設(shè)計過程中，葉輪與擴壓器的匹配問題一直以來都是困擾設(shè)計人員的難題之一。影響葉輪與擴壓器匹配的主要因素有：有葉擴壓器的喉部面積，葉輪與擴研究發(fā)現(xiàn)改變有葉擴壓器的喉部面積可以改變?nèi)~輪與擴壓器的匹配范圍。當有葉擴壓器的喉部面積較大時，葉輪與擴壓器在流量較大區(qū)域內(nèi)匹配；當有葉擴壓器的喉部面積較小時，葉輪與擴壓器在流量較小區(qū)域內(nèi)匹配。低稠度的氣動葉型擴壓器具有較寬的工作范圍，能明顯改善喘振邊界限制。關(guān)于擴壓器葉片前緣的最佳位置目前尚未有明確在擴壓器葉片前緣采用燕尾槽的方式可以使流出葉輪的渦破碎，從而使流動更加穩(wěn)定。壓縮機轉(zhuǎn)速的增大必然要求減小軸承和軸之間的摩擦。國內(nèi)在這方面的研究已有多年，靜壓和動壓空氣軸承已在許多透平機械中得到應(yīng)用。文獻[18]提出國外已有一種磁力軸承在被應(yīng)用于離心壓縮機后展示了其優(yōu)良的性能。磁力軸承的一個明顯的優(yōu)點就是它在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后是懸浮于軸上的，只要空氣充滿磁力軸承和軸之間的狹小間隙，軸就懸浮在空氣(或其它工作介質(zhì))中旋轉(zhuǎn)，以至于相對其它類型軸承來說，磁力軸承運轉(zhuǎn)時的摩擦力是可以忽略不計的，從而轉(zhuǎn)子能夠真正實現(xiàn)在轉(zhuǎn)子強度和“堵塞”限制范圍內(nèi)為其效率低、流動范圍受限等原因所造成的?，F(xiàn)代三維求解技術(shù)及先進測試手段(PIV、突破，將會使得離心壓縮機的使用成本大幅下降，從而使離心壓縮機得到更大范圍地應(yīng)對于離心式制冷壓縮機研究，外一個有待突破的問題即是實現(xiàn)其在小流量場合的應(yīng)用。離心壓縮機依賴于高流速實現(xiàn)增壓，這種高流速不可避免地會帶來摩擦及氣動損失等流動損失。對于小流量的離心壓縮機，當轉(zhuǎn)速不大時，其流動損失將顯著影響效率的及三元理論進行離心壓縮機研制技術(shù)的進一步發(fā)展，高轉(zhuǎn)速軸承技術(shù)的日益成熟，相信2.離心壓縮機氣動參數(shù)計算2.1原始數(shù)據(jù)2)壓強比c:2.4T0:293K5)環(huán)境密度p0(p0=p0/RT0):1.205kg/m3R287J/(kg.K)指數(shù)k:1.48)交流電機驅(qū)動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(shè)計時應(yīng)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(chǎn)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。懸臂式鼓風(fēng)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ll9)葉輪對氣體所做的絕熱壓縮功ladu u AT=C12=4.98K12kRkk101T=T-A1011n=1.371n積f12.3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(dǎo)風(fēng)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(fù)雜。大型的壓氣機為了便于制造把前后二部分分開要的。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(3)此外還有雙進氣葉輪，全開式葉輪。2D=290mm2n==22798r/min取D1/D2=0.721)導(dǎo)風(fēng)輪進口外徑D122)導(dǎo)風(fēng)輪進口內(nèi)徑D10mm23)導(dǎo)風(fēng)輪進口平均直徑D1m24)導(dǎo)風(fēng)輪進口外徑處的圓周速度u1u1=u2=242m/s25)導(dǎo)風(fēng)輪進口D1m處的圓周速度u1mumu=194m/s26)導(dǎo)風(fēng)輪進口D10處的圓周速度u102u10=u2=131m/s227)導(dǎo)風(fēng)輪葉片Zc=17~37取Zc=2028)取導(dǎo)風(fēng)輪進口的阻塞系數(shù)取29)導(dǎo)風(fēng)輪進口軸向速度C=C/30)導(dǎo)風(fēng)輪進口相對速度31)導(dǎo)風(fēng)輪進口馬赫數(shù)WM=1=0.782w1kRT1(0.782<0.9滿足條件，如果Mw1>0.9則需要重新調(diào)整參數(shù)、重新計算)32)導(dǎo)風(fēng)輪進口D1處的氣流角133)導(dǎo)風(fēng)輪進口D1m處的氣流角1m34)導(dǎo)風(fēng)輪進口D10處的氣流角1036)導(dǎo)風(fēng)輪進口D1m處的葉片角1A37)取工作輪葉片數(shù)Z,=Z=20cc38)滑移系數(shù)1c,==0.830239)工作輪出口氣流圓周向分速C2u2u22u240)工作輪出口氣流徑向分速C2r取p=1.68kg/m32pp48)取輪阻損失系數(shù)取50)取葉輪多變效率取50)取葉輪多變效率取取55)氣體密度誤差=n=n2-11.52=2n2n編p2==0.60%<2%M=C2=0.82M<1認可c2kRT2c257)無葉擴壓器寬度323258)入口氣流周向分速59)入口氣流徑向分速60)入口氣流角61)入口氣流速度62)入口氣流溫度63)入口氣流壓強 k64)入口氣流密度65)取出口直徑比32D=DD3=336mm322D267)出口密度(取)70)馬赫數(shù)71)取多變效率np3==1.77kg/m375)密度誤差32323=arctanC3r=20.58o33u3u80)長度2.5葉片擴壓器參數(shù)81)取直徑比434384)進氣口沖角3A333A33p488)進口通道面積90)進口喉部寬度 fzb3a fzb3D391)設(shè)出口氣流密度p2.01kg/m3C=C3D3p3sin3A=97m/s4D4psin4Anp4==2.00kg/m3編p4==0.49%<2%p0p2.6蝸殼參數(shù)98)蝸殼出口氣流速度Cc=60m/sc42kRc42kRn103)蝸殼出口密度 k2.7壓縮機參數(shù)校核106)壓強比107)滯止壓強比108)等熵壓縮功109)壓強系數(shù)110)絕熱效率nad==0.77111)功率PcPcad=262kW2.8軸的強度校核9.55〉106P9.55〉106P軸上有兩個鍵槽，應(yīng)增大10%~15%2.9軸承和鍵的選擇2.10軸承蓋的參數(shù)計算113)e=1.2d3=4.8mm,d3-軸承蓋螺釘直徑114)D0=D+2d3=50mm115)D2