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,壓縮機,設(shè)計,氣動,結(jié)構(gòu)設(shè)計,cad 設(shè)計任務書 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 離心壓縮機氣動及結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計(論文)的基本內(nèi)容： 一、設(shè)計工作圖一套： 1、離心式壓縮機總裝配圖1張0#； 2、離心式壓縮機零件圖共5張； 設(shè)計原始參數(shù)： 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) 交流電機驅(qū)動 設(shè)計（XX）開題報告 論文題目 離心式壓縮機設(shè)計 一、選題原因 離心式壓縮機是一種速度式壓縮機，氣體在壓縮機中沿垂直于壓縮機軸的徑向進行運動，工作輪在旋轉(zhuǎn)的過程中，利用離心旋轉(zhuǎn)力和工作輪中的擴壓流動作用來提高氣體壓力和速度。早期，離心式壓縮機只用來壓縮空氣，且只適用于中、低壓力及氣量很大的場合。隨著石油、化工生產(chǎn)規(guī)模的擴大和機械加工工藝的發(fā)展。從60年代開始，離心式壓縮機在我國石油化工生產(chǎn)中應用越來越廣泛。近幾十年來新建的大型合成氨廠、乙烯廠均采用了離心式壓縮機，并實現(xiàn)了單機配套。此外．離心式壓縮機還廣泛地應用在制氧、尿素、酸、堿等工業(yè)以及原子能工業(yè)的惰性氣體的壓縮和核工業(yè)特殊元素的制取方面。隨著離心式壓縮機技術(shù)的不斷提高，其在許多場合已經(jīng)逐漸替代活塞式壓縮機而成為主要的動力機械。而且，近些年來，由于科學技術(shù)的飛速發(fā)展，離心式壓縮機因其可靠性高、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點在航空航天、能源動力、石油化工及冶金等行業(yè)日益發(fā)揮著極其重要的作用。 基于希望對離心式壓縮機的機構(gòu)及其研究發(fā)展有更進一步的了解，我選擇了該課題。 二、論文框架 摘 要 3 第一章 前言 5 1.1 TJ020離心式壓縮機技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 5 1.2 TJ020離心式壓縮機發(fā)展方向 6 第二章 離心壓縮機氣動參數(shù)計算 8 2.1 原始數(shù)據(jù) 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 第三章 結(jié)論 參考文獻 致謝 附錄 三、時間及進度安排（此項內(nèi)容參照《畢業(yè)設(shè)計（論文）進度安排表》，依據(jù)自身寫作進度填寫） 第一階段： 7月24日 選題； 第二階段： 7月25日至8月14日 開題報告寫作； 第三階段： 8月15日至8月25日 查找相關(guān)文獻； 第四階段： 8月26日至9月14日 初稿寫作； 第五階段： 9月15日至10月14日 二稿寫作; 第六階段: 10月15日至31日 終稿寫作 學生（簽名）： 年 月 日 指導教師意見： 指導教師（簽名）： 年 月 日 三、時間及進度安排 第一階段： 7月24日 選題； 第二階段： 7月25日至8月14日 開題報告寫作； 第三階段： 8月15日至 8月22日 查找相關(guān)文獻； 第四階段： 8月23日至9月14日 初稿寫作； 第五階段： 9月15日至10月14日 二稿寫作； 第六階段: 10月15日至10月31日 終稿寫作。 學生（簽名）： 年 月 日 指導教師意見： 指導教師： 年 月 日 注：(1)封面：題目：宋體，二號；其他填寫內(nèi)容：宋體，三號； (2)填表字體:宋體，小四號； (3)括號內(nèi)的文字為提示性語句，一律不準出現(xiàn)在最終要上傳的開題報告中。 離心式壓縮機的設(shè)計 摘要 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 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 目錄 摘 要 3 1 前言 5 1.1 離心式壓縮機技術(shù)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(jù) 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(jié)論 22 參 考 文 獻 23 致 謝 24 1 前言 1.1離心式壓縮機技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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，Leonhard Eular建立了葉輪機械中的基本能量方程；Lazare Carnot指出在葉輪進口流體應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用。1930年，F(xiàn)rank Whittle申請了他的第一項專利，在國際上首次應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)rank Whittle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流面是從輪轂導輪蓋的徑向扭曲流面）之和，這樣就可以把一個復雜的三元問題轉(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 　?、俳Y(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，排氣量范圍大； 　?、谝讚p件少，運轉(zhuǎn)可靠、壽命長； 　?、叟艢獠皇軡櫥臀廴?，供氣品質(zhì)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(chǎn)規(guī)模不斷擴大的要求隨著新技術(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操作環(huán)境。 　　國內(nèi)可以生產(chǎn)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(shù)，經(jīng)過消化吸收，可以生產(chǎn)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(shè)計制造專利技術(shù)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(shè)計制造專利技術(shù)，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(shè)計制造專利技術(shù)從德國德馬格公司引進了VK8型組裝式離心壓縮機設(shè)計制造專利技術(shù)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(shù)。沈陽鼓風機廠生產(chǎn)的離心壓縮機在國內(nèi)石化企業(yè)已經(jīng)應用200多臺，市場占有率已達80以上。沈鼓廠生產(chǎn)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(jīng)應用于120萬t/a加氫裂化裝置沈鼓廠自行設(shè)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(shè)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(jīng)應用到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(shè)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(jīng)應用于40 000Nm 3空分裝置[1]。 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，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(nèi)在設(shè)計制造這些大型氣體壓縮機上還沒有成熟的經(jīng)驗。 因此，對 離心式壓縮機的設(shè)計理論進行深入、系統(tǒng)的研究非常有必要，從而設(shè)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(shù)密集型、高難度產(chǎn)品，必須擁有先進的專業(yè)設(shè)計制造技術(shù)。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(shù)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?，F(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(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)、輔機配套水平等方面。因此，如何跟蹤世界上先進的壓縮機設(shè)計制造技術(shù)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(shè)計CAD開發(fā)。采用三維工程設(shè)計可以優(yōu)化設(shè)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(shè)計缺陷。能夠自動進行結(jié)構(gòu)分析，提高設(shè)計精度和設(shè)計效率。CAD的主要開發(fā)內(nèi)容有：建立三維實體造型設(shè)計模型，建立三維實體設(shè)備圖庫、數(shù)據(jù)庫等。 2．轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性設(shè)計專家系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計過程中，當轉(zhuǎn)子--軸承系統(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(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心壓縮機組專用的、具有防喘振、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]。 德國宇航院（DFVLR）Krain博士基于準三維氣動設(shè)計方法，通過計算機輔助設(shè)計完成了離心壓縮機后向三元葉輪的設(shè)計，并應用激光測試技術(shù)對該葉輪內(nèi)部流場進行了非常詳細地測量[9]。迄今為止，Krain葉輪仍然是許多研究人員校驗自己設(shè)計方法的對象。 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為參考準則的實用設(shè)計方法，并利用CFD軟件FLUENT5.4進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果表明：角動量的不同分布對離心壓縮機葉輪的壓比和效率有明顯的影響。 在發(fā)展以三維粘性分析為參考準則的離心壓縮機三元葉輪的實用設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，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)以及響應面方法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方法。響應面方法是試驗設(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變量在設(shè)計空間的變化[12]。在詳細探討響應面優(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，性能有較大改進。 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，避免葉輪出口圓周上相鄰兩葉片間距過大等，目前國內(nèi)外的高效率離心壓縮機葉輪廣泛采用了長、短葉片（分流葉片）的形式。劉瑞韜等人運用三維粘性流動數(shù)值計算程序Fine/Turbo對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，長葉片載荷變化趨于平緩；就文獻[15]中研究的葉輪來說，分流葉片起始位置位于圖2所示Ⅲ位置，分流葉片與長葉片吸力面夾角為22.5°時的葉輪模型級效率最高，壓縮機性能最好[15]。 初雷哲、杜建一等人采用CFD軟件對微型燃機的離心葉輪進行數(shù)值模擬，討論了葉片數(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，同時會使分流葉片的載荷增大，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、性能預測、葉片成型和葉輪應力分析包含在內(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，工作范圍更寬廣；前傾葉輪改善了出口的氣流分離現(xiàn)象，能夠減少摻混損失。 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)過驗證可行后，再用于自己的研發(fā)。 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速度測量學的成功發(fā)展而實現(xiàn)的。1970年，Eckardt運用Schodld的2倍焦距激光測速計（Laser-2focus-Velocimeter）對壓比為3的壓縮機內(nèi)部流場進行了研究。在20世紀60年代初出現(xiàn)的激光多普勒測速技術(shù)和2倍焦距激光測速技術(shù)幾乎同時被應用于離心壓縮機內(nèi)部流場的測量。 國內(nèi)上海交通大學的繆俊、谷傳綱等人研究了激光相位多普勒測速技術(shù)（PDA）在離心壓縮機葉輪內(nèi)部流場測量中的應用，他們采用PDA技術(shù)對試驗用離心壓縮機在小流量工況下葉輪內(nèi)部的流動進行了測量，對如何在原有適合粒子圖像速度場儀（PIV）測量的試驗臺上進行PDA測量，并提出了改進意見，分析了小流量工況下流道內(nèi)氣流速度矢量的變化趨勢等流動特性[17]。測試技術(shù)的發(fā)展必將進一步推動離心壓縮機技術(shù)的發(fā)展。 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。 F.Gui et al進行了高速小流量離心壓縮機的設(shè)計和試驗研究。在他的文獻里介紹了一種小流量高轉(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)驗方法不能完全應用于小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機的設(shè)計。F.Gui et al設(shè)計了一個葉輪直徑僅為63mm的小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機，其效率可達84％，這個數(shù)值較之從20世紀50年代起一直未有太大提高的60%左右的效率則是有了相當大的進步，這也表明：設(shè)計一個用于飛行器空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)和小型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)用的小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機是可以實現(xiàn)的。 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雜性及相關(guān)技術(shù)發(fā)展的限制，使得仍有一些問題有待完善和解決。 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配情況將對壓縮機的性能產(chǎn)生決定性的影響。作為整個壓縮機來說，軸承的性能及潤滑、密封情況也將會對壓縮機性能產(chǎn)生影響。 隨著計算機技術(shù)及計算流體動力學（CFD）的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一批可以應用于離心壓縮機研究的CFD應用軟件。目前市場上較常見的有：FLUENT、NUMECA、NREC、CFX、STAR-CD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)良的三元葉輪創(chuàng)造了更好的條件。 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重點,也是難點。對于三元葉輪，常用的加工方法主要有兩種：三體焊形式，也即對輪盤、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)備進行整體銑制而得到一個半開式葉輪。為避免干涉，目前國際上對這種葉輪的加工大都是利用價格很高的五坐標加工中心進行。 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，葉輪與擴壓器之間的間隙，氣動葉型擴壓器的稠度，擴壓器葉片前緣形狀等。 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的答案，只是估計擴壓器葉片前緣所在的半徑與葉輪半徑之比在1.15以上。Kenny認為：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?？傊?，影響葉輪與擴壓器匹配問題的因素仍有待進一步發(fā)現(xiàn)和解決。 離心式壓縮機一般采用增速齒輪,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般都在5000r/min以上,目前一般采用滑動軸承,滑動軸承的設(shè)計也是研制離心壓縮機的一個重點。 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用。文獻[18]提出國外已有一種磁力軸承在被應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)以任何速度運轉(zhuǎn)。因此有必要加快磁力軸承應用技術(shù)研究。 目前，國內(nèi)外對于高壓比（單級壓比＞5）離心壓縮機的應用仍然較少，這主要是因為其效率低、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、PDA等）的應用將使這些問題有望得到解決，但仍需要大量的努力，一旦在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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用[7]。 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提高。因此，對于小流量的壓縮機，必須增加其轉(zhuǎn)速以保證達到一定的效率。隨著運用CFD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，相信有望在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。 2. 離心壓縮機氣動參數(shù)計算 2.1 原始數(shù)據(jù) 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) 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(shè)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(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速壓氣機中，在內(nèi)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(shè)計采用半開式葉輪。 18) 取葉輪外徑D D=290mm 19) 轉(zhuǎn)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(nèi)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(diào)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)論 經(jīng)過了幾個月，我總算把畢業(yè)設(shè)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(jīng)歷。當初決定要做《 離心式壓縮機的設(shè)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(guān)的畢業(yè)設(shè)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(jié)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(wǎng)上找方法，經(jīng)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(shè)計，我覺得自己實現(xiàn)了一個巨大的跨越?，F(xiàn)在我已經(jīng)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(shè)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(shè)計課程設(shè)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(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社，2006. [11] 成大先. 機械設(shè)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(jīng)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(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學、同事和朋友。