离心式压缩机设计-离心压缩机气动及结构设计含6张CAD图

离心式压缩机的用途很广。例如氨化肥生产中的氮、氢气体的离心压缩机，空气分离工程、炼油和石化工业中普遍使用的各种压缩机，天然气输送和制冷等场合的各种压缩机。在动力工程中，离心式压缩机主要用于小功率的燃气轮机、内燃机增压以及动力风源等。本课题研究的内容是设计一台离心式压缩机。叶轮和扩压器是离心式压缩机的关键部件，叶轮设计制造的好坏及其与扩压器的匹配将对压缩机的性能产生决定性的影响。关键词：进气道叶轮扩压器ignofCentrifugalCompressorAbstract:Centrifugalcompressorisveryversatile.Avarietyofoccasionssuchasnitrogen,hydrogen,ammoniafertilizerproductioninthecentrifugalcompressor,airseparationengineering,commonlyusedintherefiningandpetrochemicalindustries,compressors,naturalgastransportationandrefrigerationcompressors.Inpowerengineering,thecentrifugalcompressorismainlyusedforlow-powergasturbines,internalcombustionenginesuperchargedanddynamicwindsource.Thecontentofthisresearchisthedesignofacentrifugalcompressor.Impelleranddiffuserisakeycomponentofthecentrifugalcompressorimpellerdesignandmanufactureofthegoodorbadadecisiveimpactonthematchwillbethecompressordiffuserperformance.KeywordsInlet;Impeller;Diffuser 趋势18世纪初期，Papin给出了最早的离心式叶轮机械的设计方法，在他出版的著作中介绍了离心泵的设计方法。从那以后，离心式叶轮机械开始逐步得到发展。19世纪，离心式压缩机伴随着叶轮机械理论的发展而得到了迅速的发展。在这一时期，LeonhardEular建立了叶轮机械中的基本能量方程；LazareCarnot指出在叶轮进口流体应光滑顺利的流入叶轮，即零攻角状态，他还指出为了获得高效率应减小叶轮出口动能。这一阶段的标志性成果是离心压缩机中开始使用有叶扩压器。从20世纪开始至今是离心压缩机技术迅猛发展的时代。在这一时期，产生了对离心压缩机发展具有划时代意义的理论和方法。正是这些理论和方法的诞生，使得离心压缩机在全世界范围内得到了极为广泛的应用。1930年，FrankWhittle申请了他的第一项专利，在国际上首次应用了双向进气单级离心压缩机，这个离心压缩机由轴向透平驱动,采用双向进气不但可以避免在转子进口叶尖产生超音速流动，而且可以减小轴向推力。从那时开始，FrankWhittle就将目标瞄准单级压比达到4，而此前单级压比最高值只达到2.5。离心压缩机因为受旋转、曲率及粘性等诸多因素的影响及相互作用而使其内部流动表现为相当复杂的非定常、有粘性的三维湍流流动。但在早期，因为三元理论及计算手段的缺乏，使得离心压缩机的设计主要采用几何设计或二维气动设计方法进行。20世纪50年代，我国著名的科学家吴仲华教授提出了对离心压缩机发展具有划时代意义的两簇流面理论，奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础。他首先提出叶轮机械叶片通道内的三元流动可以看作是两类相交的流面(S1、S2流面，S1流面为是从一个叶片到相邻叶片之间的周向扭曲流面，S2流面是从轮毂导轮盖的径向扭曲流面)之和，这样就可以把一个复杂的三元问题转化为两个二元问题，从而使计算简化。随着吴氏三元理论的提出，离心压缩机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气动设计方法转变。许多国内外专家学者利用这一理论对离心压缩机进行了研究并取得了许多有益的成果[8]离心式空气压缩机属于速度式压缩机，在用气负荷稳定时离心式空气压缩机工作稳定、可靠。优点是①结构紧凑、重量轻，排气量范围大；②易损件少，运转可靠、寿命长；③排气不受润滑油污染，供气品质高；④大排量时效率高、且有利于节能。求随着新技术的发展，新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器的出现，不断开发高压压缩机和小流量压缩机产品进一步研究三元流动理论，不仅应用到叶轮设计，还发展到叶片扩压器静止元件设计中，以期达到最高的机组效率低噪声化，采用噪声防护以改善鼓风机厂、陕西鼓风机厂等。他们引进国外技术，经过消化吸收，可以生产石化用大型SD的高速齿轮变速器的设计制造专利技术从德国德马格公司引进了VK8型组装式离心压缩GM风机技术。沈kWNmhkW，出达到5500kW，已经应用到30~50万t/a乙烯裂解装置。沈鼓厂自行设计和制造的大化m目前国内离心压缩机在高技术、高参数、高质量和特殊产品方面还不能满足国内需要。另外在技术水平、质量、成套性上和国外还有差距。随着石化生产规模不断扩大，1.2离心式压缩机发展方向由于化工和石油化工装置不断向大型化发展，用户对压缩机组的能耗、可靠性、配套水在二氧化碳压缩机方面，过去出现了一些压缩机性能与工艺条件不匹配的事故。现在西安交大、沈阳鼓风机厂都有自己的二氧化碳闭式试验台，问题已得到解决。因此，对大型化肥和石油化工压缩机的改进已基本上集中在压缩机性能本身的改进上。目前，世界上先进的压缩机制造厂家都在致力于这方面的研究。如在压缩机的气动性能设计上使用的程序，能够适用于几百个大气压，在近临界区域条件下适用于几十种复杂气体，大大提高了计算精度；在转子稳定性研究上，已经研制出超二阶、三阶的高柔性转子，并已成功使用；还在部件成套技术上有了很大发展，如在密封、轴承、调节系统、辅机美观，且具有自动进行干涉检查的功能，避免设计缺陷。能够自动进行结构分析，提高统动力特性不能满足设计规范的要求，或已经制造出来的机组出现振动过大、运行不稳定等情况时，就必须修改原机组的结构参数、物性参数值。但是影响转子--轴承系统动力特性的结构参数有很多，修改哪一个或几个结构参数最有效，能立竿见影地解决设计和机组稳定运行问题，是建立该专家系统软件的目标。主要研究内容有：各种转子结构、轴承结构参数对转子--轴承系统动力特性的影响、建立智能型专家系统设计计算软容错控制器、多功能防喘振、性能调节、安全保护综合控制系统，使离心压缩机控制由传统的模拟仪表控制变为多功能的专家控制系统。主要研究内容有：研制大化肥装置用离有防喘振、性能调节、安全保护的数字式微机综合控制系统[2]。成了离心压缩机后向三元叶轮的设计，并应用激光测试技术对该叶轮内部流场进行了非国内在离心压缩机三元叶轮的各类反命题设计方法中，以角动量的不同分布来控制叶片几何型线的方法应用较广[10]。角动量的分布规律直接决定叶片载荷的大小并影响流动方向、跨盘盖方向的速度分布，而速度分布对叶轮二次流的强度及叶片表面边界层的发展有决定性的影响，这必然影响到对叶轮边界层损失、分离损失和二次流损失的控制，因此合适的角动量分布是设计高性能叶轮最有效的手段。席光等人以上文提到的德国宇航院(DFVLR)Krain博士设计并试验的后向三元叶轮为研究对象，对其内部流动及气动性能进行了计算，在保留子午型线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究角动量分布对叶轮内部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维粘性分析王晓峰等人又探讨了将离心叶轮内部的三维粘性流动求解与试验设计技术以及响应面方法相结合的优化设计方法。响应面方法是试验设计与数理统计相结合的优化方法，在试验测量、经验公式或数值分析的基础上，对指定的设计点集合进行连续的试验，并在设计空间构造测定量的全局逼近，这样便可以全面观察响应变量在设计空间的变化[12]。在详细探讨响应面优化设计方法的基础上，他们以某工业离心压缩机中间级叶轮为研究对象，采用响应面方法对其进行优化设计，结果表明：与原始叶轮相比，性能有较大改为减小离心压缩机叶轮进口的冲击损失，降低叶片厚度对进气的阻塞，避免叶轮出含分流叶片的离心压缩机级内三维粘性流场进行了数值分析，为该类叶轮的优化设计及改进研究打下了基础[14]。在此基础上，刘瑞韬等人又对分流叶片位置对高转速离心压缩机性能的影响进行了研究，重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压缩机内三维粘性流场及整级性能的影响。计算结果表明：采用分流叶片在进口处会减少叶片阻塞；不同分流叶片起始位置时长叶片进口流场具有相同的分布规律；分流叶片越短，长叶片压力面无量纲静压载荷越大；当分流叶片长度达到某一数值后，长叶片载荷片数及分流叶片位置对叶轮性能的影响，并进行了流场分析。分析结果表明：叶片数增加使得性能曲线左移，单个叶片载荷减小，损失增加，叶轮效率下降，但是增压效果得到改善；分流叶片位置靠近主叶片压力面时，性能曲线右移，流通能力提高，同时会使当分流叶片位置靠近主叶片吸力面时，情况正好相反[16]。杨策等人开发了一套将初步设计、性能优化计算、性能预测、叶片成型和叶轮应力分析包含在内的离心式叶轮辅助设计系统，并用其设计出一种小型高转速离心压缩机，然后对其性能进行了详细地分析研究。杨策等人的研究结果表明：在进口条件和转速相同情况下，后向叶轮压比小于径向叶轮，效率高于径向叶轮，后向叶轮的流量特性曲线的斜率大于径向叶轮的流量特性曲线的斜率，后向叶轮的流量特性更接近轴流压缩机的特性；顶部间隙增大时，离心压缩机压比减小，效率下降；对于小流量的离心压缩机，叶轮进口弯曲对叶轮在设计点的绝热效率影响不大，叶轮出口弯曲对离心压缩机在设计点的效率影响很小；叶轮正弯时存在一个最高效率点，当叶轮正弯度大于或小于这个数值时效率均下降；采用前倾叶轮可以提高压缩机的效率，但降低了压缩机的压比；在较低转速下，前倾叶轮在大部分工作范围内效率高于普通叶轮，在较高转速下，前倾叶轮在全工况范围内效率都高于普通叶轮；前倾叶轮比普通叶轮有更大的喘振裕度，工作范综上所述，国内研究人员对离心压缩机的研究主要是通过数值计算来进行，一般是先用自己开发的计算程序或应用软件计算国外文献提到的有详细试验结果的离心压缩机或叶轮(一般多用前文提及的德国宇航院(DFVLR)Krain博士研究的叶轮)，经过验证一直以来，国内外在采用先进技术进行离心压缩机流场测试方面的研究较之设计方法的研究则稍显滞后。运行中的离心压缩机内部流场测试技术的重大突破是伴随着激光d国内上海交通大学的缪俊、谷传纲等人研究了激光相位多普勒测速技术(PDA)在离前述国内外研究人员在各自的研究过程中基本都针对的是较大流量的离心压缩机，所提及的杨策等人研究的一种小型高转速离心压缩机其流量也是0.215kg/s，难以完全说明小流量(0.1kg/s以下)下的情形。种小流量高转速的离心压缩机的研究结果，结果表明：小流量高转速离心压缩机在几何特征与整机性能上与大型离心压缩机存在区别，小流量高转速的离心压缩机在进口处轮盖与轮毂的直径比较大，叶轮外径与进口轮盖直径之比及叶尖间隙与叶片高度之比比大型离心压缩机大许多；在设计范围内，大型离心压缩机的流量－压比曲线要比小流量高转速离心压缩机的流量－压比曲线平坦得多，这也暗示着小流量高转速离心压缩机与大型离心压缩机的设计是有区别的，大型离心压缩机设计的经验方法不能完全应用于小流经过研究人员的长期努力，对离心压缩机的研究，无论是设计理论、方法还是试验手段都取得了巨大的进步，但因为三维流场本身的复杂性及相关技术发展的限制，使得叶轮和扩压器是离心压缩机的关键部件，叶轮设计与制造的好坏及其与扩压器的匹随着计算机技术及计算流体动力学(CFD)的发展，相继出现了一批可以应用于离心等，这些软件一般都集中了造型、网格生成、流场计算及后处理功能。这些软件的发展极大地丰富了三元叶轮的设计手段，提高了工程设计的效率，为设计性能优良的三元叶用三元理论设计的叶轮叶片形状一般为空间曲面,叶片及叶轮的加工成型是制造的叶片、轮盖分别加工然后再焊装；整体铣制，也就是轮盘和叶片在一起利用多坐标设备在离心压缩机的设计过程中，叶轮与扩压器的匹配问题一直以来都是困扰设计人员的难题之一。影响叶轮与扩压器匹配的主要因素有：有叶扩压器的喉部面积，叶轮与扩研究发现改变有叶扩压器的喉部面积可以改变叶轮与扩压器的匹配范围。当有叶扩压器的喉部面积较大时，叶轮与扩压器在流量较大区域内匹配；当有叶扩压器的喉部面积较小时，叶轮与扩压器在流量较小区域内匹配。低稠度的气动叶型扩压器具有较宽的工作范围，能明显改善喘振边界限制。关于扩压器叶片前缘的最佳位置目前尚未有明确在扩压器叶片前缘采用燕尾槽的方式可以使流出叶轮的涡破碎，从而使流动更加稳定。压缩机转速的增大必然要求减小轴承和轴之间的摩擦。国内在这方面的研究已有多年，静压和动压空气轴承已在许多透平机械中得到应用。文献[18]提出国外已有一种磁力轴承在被应用于离心压缩机后展示了其优良的性能。磁力轴承的一个明显的优点就是它在转轴旋转后是悬浮于轴上的，只要空气充满磁力轴承和轴之间的狭小间隙，轴就悬浮在空气(或其它工作介质)中旋转，以至于相对其它类型轴承来说，磁力轴承运转时的摩擦力是可以忽略不计的，从而转子能够真正实现在转子强度和“堵塞”限制范围内为其效率低、流动范围受限等原因所造成的。现代三维求解技术及先进测试手段(PIV、突破，将会使得离心压缩机的使用成本大幅下降，从而使离心压缩机得到更大范围地应对于离心式制冷压缩机研究，外一个有待突破的问题即是实现其在小流量场合的应用。离心压缩机依赖于高流速实现增压，这种高流速不可避免地会带来摩擦及气动损失等流动损失。对于小流量的离心压缩机，当转速不大时，其流动损失将显著影响效率的及三元理论进行离心压缩机研制技术的进一步发展，高转速轴承技术的日益成熟，相信2.离心压缩机气动参数计算2.1原始数据2)压强比c:2.4T0:293K5)环境密度p0(p0=p0/RT0):1.205kg/m3R287J/(kg.K)指数k:1.48)交流电机驱动2.2进气道参数吸气室是为了把气体从进气管或中间冷却器引到工作叶轮中去。设计时应尽量减少气体的流动损失，避免出现气流局部降速和分离。吸气室的出口气流要均匀，不产生切向的旋绕，以保证叶轮进口有均匀的速度场与压力场。除了上述气动要求外，还要注意吸气室的形式较多，常见的有：轴向进气的吸气管、径向进气的进气管、双支承轴。悬臂式鼓风机或增压器中。进气管可做成收敛状，以使气体能均匀进入后面的叶轮。这ll9)叶轮对气体所做的绝热压缩功ladu u AT=C12=4.98K12kRkk101T=T-A1011n=1.371n积f12.3压缩机叶轮参数压气机叶轮一般分为两部分：前一部分为导风轮，后一部分叫工作轮。这是由于压气机叶片前缘部分弯曲较大，形状复杂。大型的压气机为了便于制造把前后二部分分开要的。因为叶轮进口处从轮毂到轮缘的半径是变化的，圆周速度也就是变化的，那么进(3)此外还有双进气叶轮，全开式叶轮。2D=290mm2n==22798r/min取D1/D2=0.721)导风轮进口外径D122)导风轮进口内径D10mm23)导风轮进口平均直径D1m24)导风轮进口外径处的圆周速度u1u1=u2=242m/s25)导风轮进口D1m处的圆周速度u1mumu=194m/s26)导风轮进口D10处的圆周速度u102u10=u2=131m/s227)导风轮叶片Zc=17~37取Zc=2028)取导风轮进口的阻塞系数取29)导风轮进口轴向速度C=C/30)导风轮进口相对速度31)导风轮进口马赫数WM=1=0.782w1kRT1(0.782<0.9满足条件，如果Mw1>0.9则需要重新调整参数、重新计算)32)导风轮进口D1处的气流角133)导风轮进口D1m处的气流角1m34)导风轮进口D10处的气流角1036)导风轮进口D1m处的叶片角1A37)取工作轮叶片数Z,=Z=20cc38)滑移系数1c,==0.830239)工作轮出口气流圆周向分速C2u2u22u240)工作轮出口气流径向分速C2r取p=1.68kg/m32pp48)取轮阻损失系数取50)取叶轮多变效率取50)取叶轮多变效率取取55)气体密度误差=n=n2-11.52=2n2n编p2==0.60%<2%M=C2=0.82M<1认可c2kRT2c257)无叶扩压器宽度323258)入口气流周向分速59)入口气流径向分速60)入口气流角61)入口气流速度62)入口气流温度63)入口气流压强 k64)入口气流密度65)取出口直径比32D=DD3=336mm322D267)出口密度(取)70)马赫数71)取多变效率np3==1.77kg/m375)密度误差32323=arctanC3r=20.58o33u3u80)长度2.5叶片扩压器参数81)取直径比434384)进气口冲角3A333A33p488)进口通道面积90)进口喉部宽度 fzb3a fzb3D391)设出口气流密度p2.01kg/m3C=C3D3p3sin3A=97m/s4D4psin4Anp4==2.00kg/m3编p4==0.49%<2%p0p2.6蜗壳参数98)蜗壳出口气流速度Cc=60m/sc42kRc42kRn103)蜗壳出口密度 k2.7压缩机参数校核106)压强比107)滞止压强比108)等熵压缩功109)压强系数110)绝热效率nad==0.77111)功率PcPcad=262kW2.8轴的强度校核9.55〉106P9.55〉106P轴上有两个键槽，应增大10%~15%2.9轴承和键的选择2.10轴承盖的参数计算113)e=1.2d3=4.8mm,d3-轴承盖螺钉直径114)D0=D+2d3=50mm115)D2