MCL457離心壓縮機結構設計說明書.doc
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2MCL457離心壓縮機結構設計 東 北 大 學 2011年6月 Design of 2MCL457 centrifugal compressor Northeastern University June 2011 畢業(yè)設計（論文）任務書 畢業(yè)設計（論文）題目： 2MCL457離心壓縮機結構設計 設計(論文)的基本內容： 一、設計工作圖一套： 總計折合4張0#圖。其中包括： 1、2MCL457離心壓縮機總裝配圖1張0#； 2、上殼體零件圖1張0#； 3、下殼體零件圖1張0#； 4、其他零部件圖，折合共計一張0#。 二、設計文件一套： 其中包括：設計說明書、設計計算、專題部分、參考文獻列表、外文翻譯（原文、譯文）。 畢業(yè)設計（論文）專題部分： 題目：單軸多級離心壓縮機轉子的制造與質量控制研究 基本內容： 一、葉輪的加工方案及質量控制。 二、主軸的加工。 三、轉子動平衡方案的選擇。 學生接受畢業(yè)設計（論文）題目日期 指導教師簽字： 年 月 日 2MCL457離心壓縮機結構設計 摘 要 壓縮機是用以提高各種氣體壓力的一種通用機械，是機械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一。在國民經(jīng)濟許多部門中得到十分廣泛的應用，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防、科研乃至人民生活的許多領域，尤其是在化工、合成、煤炭、石油、建筑施工、海洋工程等方面，更是必不可少的動力設備。離心式壓縮機主要應用于石油化工等領域，并且是石化裝置中最關鍵最核心的設備之一，設備的可靠運行對整個石化裝置的意義非常重大。 本課題主要是針對目前國內石化行業(yè)對離心式壓縮機的需求，完成2MCL457型離心式壓縮機的結構設計，并在壓縮機的結構、效率等方面做一些優(yōu)化和完善的工作，特別是對轉子的制造和質量控制方面進行探究，以提高壓縮機的性能水平和設計水平。 首先，對壓縮機結構方案進行驗證、選擇，其中要進行壓縮機結構型式的選擇。然后，完成技術選擇和壓力比的分配，進而確定壓縮機的葉輪的主要參數(shù)。從而確定壓縮機整體的主要技術參數(shù)，再根據(jù)所得參數(shù)，計算出所需功率及電機軸功，選配電機。 根據(jù)給定的設計目標和相關標準要求，參考相關文獻和資料進行設計計算，確定2MCL離心壓縮機的基本參數(shù)，進而進行結構設計和強度校核。在此基礎上，完成產(chǎn)品的工程圖紙，并完最終成產(chǎn)品設計。其中，重點是對提高轉子的制造質量進行探究，并在設計中予以關注。 關鍵詞：空氣壓縮機；離心式；2MCL型；結構設計 Design of 2MCL457 centrifugal compressor Abstract Compressor is used to increase the pressure of various gases as general machinery; the machinery industry is one of widely used products. Compressor in the national economy in many sectors are very widely used, almost every industry, agriculture, transportation, health care, national defense, scientific research and even in many areas of peoples lives. Especially in the chemical, synthetic, coal, petroleum, construction, marine engineering, power equipment is essential. centrifugal compressor is mainly used in petrochemical industry, petrochemical plant and is the most critical one of the core equipment, equipment installation and reliable operation of the entire petrochemical very significant. The design should first conduct a literature search, access to relevant information and compressor references to verify the program on the compressor structure, options, including the 2MCL457 centrifugal compressor structure type selection and the choice of sports organizations. Especially in order to improve the performance level of the compressor and the design lever, experts explore the manufacture quality of the rotor. First, designers should select and validate the compressor structure program, which to conduct the selection of structure type compressor. Then, the technical choices and the distribution of pressure ratio determine the main parameters of the compressor impeller. designers calculate the required power and matching motor, then select the motor shaft power, according to the main technical parameters of the compressor as a whole and the basis of the parameters. According to a given design goals and related standards, reference documents and information related to the design calculations to determine 2MCL457 centrifugal compressor basic parameters for the structural design and strength check. On this basis, the completion of engineering drawings, and eventually into a complete product design. Also, focusing on the manufacture quality of the rotor. Key words: Air compressor; centrifugal type; 2MCL-type; structural design 目 錄 畢業(yè)設計（論文）任務書 I 摘 要 II Abstract III 第1章 緒論 1 1.1 壓縮機簡介 1 1.1.1 壓縮機的分類 1 1.1.2 壓縮機的用途 3 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.2.1大流量離心壓縮機研究現(xiàn)狀 4 1.2.2小流量離心壓縮機研究現(xiàn)狀 7 1.2.3 壓縮機的新發(fā)展 7 1.3 本課題研究的意義與內容 9 第2章 工作原理與結構設計 11 2.1 離心壓縮機的工作原理 11 2.1.1 離心壓縮機的主要特點 11 2.2 壓縮機的結構設計及方案選擇 12 2.2.1離心式壓縮機的主要結構 12 第3章 主要技術參數(shù)的設計與計算 14 3.1 級數(shù)選擇和各級壓力比的分配 14 3.1.1 級數(shù)的選擇 14 3.1.2流量系數(shù)的選擇 14 3.1.3理論能量頭的計算 14 3.1.4輪阻損失與漏氣損失系數(shù)比的選取 15 3.1.5總能量頭的計算 15 3.1.6多變效率ηpol的選取 16 3.1.7各級壓力比的選擇 16 3.2 葉輪主要參數(shù)的確定 17 3.3 工作氣體各個參數(shù)的確定以及電動機的選擇 17 3.3.1 各級出口壓力的計算 17 3.3.2 出口溫度的計算 18 3.3.3 各級進口流量及出口流量的計算 18 3.3.4 等熵指數(shù)的kv2選取 19 3.3.5 葉輪出口相對寬度的計算 19 3.3.6 電機的選擇 20 3.4 主軸的校核 20 第4章 單軸多級離心壓縮機轉子的制造與質量控制研究（專題） 22 4.1 轉子的簡介及組成 22 4.2 葉輪的加工方案及質量控制 22 4.2.1缺陷的類型和分析 22 4.2.2缺陷處理方法的探討 23 4.2.3補焊處理 24 4.3主軸的加工 25 4.3.1主軸的特點 25 4.3.2主軸的材料 26 4.3.3主軸的加工 26 4.3轉子動平衡方案的選擇 26 4.3.1高、低速動平衡方案的確定 27 4.3.2動平衡精度的確定 28 第5章 環(huán)保及經(jīng)濟性分析 30 第6章 結論 31 參考文獻 32 致 謝 34 附 錄 35 第1章 緒論 1.1 壓縮機簡介 壓縮機是用以提高各種氣體壓力的一種通用機械，是機械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一。在國民經(jīng)濟許多部門中的道十分廣泛的應用，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防、科研乃至人民生活的許多領域，尤其是在化工、合成、煤炭、石油、建筑施工、海洋工程等方面，更是必不可少的動力設備，并且是關鍵設備。因此，壓縮機、泵、風機和電動機等四大類產(chǎn)品的設計制造水平，以及他們的運行經(jīng)濟性和可靠性，已被認為是衡量一個國家機械工業(yè)發(fā)展狀況和水平的標志之一。 1.1.1 壓縮機的分類 為了研究和應用的方便，一般將壓縮機按照以下五種方式進行分類。 （一） 按工作原理分類 （1） 容積式壓縮機 直接對一可變容積中的氣體進行壓縮，使該部分氣體容積縮小、壓力提高。其特點是壓縮機具有容積可周期變化的工作腔。 （2） 動力式壓縮機 它首先使氣體流動速度提高，即增加氣體分子的動能;然后使氣流速度有序降低，使動能轉化為壓力能，與此同時氣體容積也相應減小，其特點是壓縮機具有驅使氣體獲得流動速度的葉輪。動力式壓縮機在我國個別文獻中稱為速度式壓縮機。 （二） 按排氣壓力分類 （1） 通風機 約15kPa （2） 鼓風機 小于0.3MPa （3） 低壓壓縮機 0.3~1.0MPa （4） 中壓壓縮 1.0~10MPa （5） 高壓壓縮機 10~100MPa （6） 超高壓壓縮機 100MPa 按排氣壓力分類時，壓縮機進氣壓力為大氣壓力或小于0.2MPa，對于進氣壓力高于0.2MPa的壓縮機，特稱為“增壓壓縮機”?；S中常用的循環(huán)氣壓縮機（循環(huán)泵）即為增壓壓縮機的一種。 （三） 按壓縮級數(shù)分類 （1） 單級壓縮機：氣體僅通過一次工作腔或葉輪壓縮。 （2） 兩級壓縮機：氣體順次通過兩次工作腔或葉輪壓縮。 （3） 多級壓縮機：氣體順次通過多次工作腔或葉輪壓縮，相應通過次數(shù) 便是對應級數(shù)。 在容積式壓縮機中，每經(jīng)過次工作腔壓縮后，氣體便進入冷卻器中進行一次冷卻；而在動力式壓縮機中，往往經(jīng)過兩次或兩次以上葉輪壓縮后，才進入冷卻器進行冷卻。并把每進行一次冷卻的數(shù)個壓縮級合稱為一個段。在日本把容積式壓縮機的級稱為“段”，我國個別地區(qū)、個別文獻受此影響。也把級稱為“段”。 （四） 按容積流量分類 （1） 微型壓縮機 小于1m3/min （2） 小型壓縮機 1~10m3/min （3） 中型壓縮機 10~100m3/min （4） 大型壓縮機 10m3/min （五） 按離心壓縮機的結構分類 （1） 水平剖分型：其汽缸沿水平中分面剖分成上下兩部分。該類型結構的特點是拆裝較方便，但不適于高壓氣體或小相對分子量的氣體，其使用壓力一般不超過4~5MPa。主要用于各種化工裝置的空氣壓縮機，氨、丙烷、丙烯等冷凍壓縮機，合成尿素氣體壓縮機的低壓段，以及用來輸送煤氣等。 （2） 垂直剖分型：又稱筒形。該機型采用筒形機殼，垂直剖分，用螺栓將端蓋與圓筒形機殼連接在一起（端蓋與機殼間有時也采用剪切環(huán)連接）。主要用于合成氨、合成尿素、合成甲醇的合成氣壓縮機以及其他石油化工循環(huán)機等。其使用壓力可達45MPa左右，最高排氣壓力可達70MPa。 （3） 等溫型：在汽缸內部設置級間冷卻器，使每級氣體壓縮后立即降溫，再導入下一級中保持基本等溫壓縮。等溫型壓縮機結構較緊湊，且能在低功耗、高效率條件下進行壓縮，按用途和輸送介質的性質可以分為空氣壓縮機、二氧化碳壓縮機、合成氣壓縮機、裂解氣壓縮機、氨凍冷機、乙烯壓縮機及丙烯壓縮機等。 1.1.2 壓縮機的用途 壓縮機在國民經(jīng)濟中的應用可以分為以下四個方面。 （一） 動力用壓縮機 利用壓縮空氣作為動力風源，具有安全、經(jīng)濟、效率高的特點。因此，在機械、礦山、建筑等工業(yè)中廣泛利用壓縮空氣來驅動各種風動工具。交通運輸中利用壓縮空氣制動車輛、啟動門窗。另外在大型發(fā)動機的起動、高壓空氣爆破采煤，魚雷發(fā)射，潛艇沉浮等均需用到不同壓力的壓縮空氣，在這些部門中，空氣壓縮機成為必不可少的設備。 （二） 化工工藝用壓縮機 在化學工業(yè)中，將氣體壓縮至高壓，有利于化學反應。列如，化肥生產(chǎn)中的合成氨和尿素的合成都需要在高壓下進行不同階段需要不同壓力的壓縮機。因而，各種氣體壓縮機是化學工業(yè)極為重要的關鍵設備之一。 （三） 制冷和氣體分離用壓縮機 氣體經(jīng)壓縮后送入冷凝器，使之變成液體，若再膨脹至低壓，液體經(jīng)蒸發(fā)而吸熱，可達到制冷目的。若液化的氣體為混合氣體，這可根據(jù)其各組份的不同氣化溫度，而將其分離出來，得到各種純度的氣體，因此，壓縮機是制冷裝置和氣體分離設備中的主機。 （四） 氣體輸送用壓縮機 在石油、化工生產(chǎn)中，常利用管道輸送氣體，則需用壓縮機增壓，以克服流動過程中的管道阻力。這種壓縮機的壓力，視其管道長短而定。當利用有限的容積輸送較多的氣體時，可利用壓縮機將氣體壓力提高后，以較小的體積注入瓶中，達到裝瓶輸送氣體的目的。 容積式壓縮機的種類很多，適用的范圍各不相同。據(jù)我國機械工業(yè)部的統(tǒng)計，到1990年，社會對各類容積式壓縮機的需求量（按噸位計）為：活塞式壓縮機86%，螺桿式75%，滑片式3.5%，隔膜式及其它型式為3%。三機一泵（壓縮機、鼓風機、通風機和泵）是流體機械的重要組成部分，它們被用來將機械能轉變?yōu)榱黧w的壓力能、動能，其電力消耗占全國發(fā)電總量的三分之一，是許多基礎工業(yè)和能源工業(yè)的心臟設備。從這里可以看到，活塞式壓縮機的需求量最多，其在社會建設中的重要意義也就不言而喻。 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著氣體動力學研究的進展，離心式壓縮機的效率不斷得到提高；新材料的問世，軸承、密封技術及機械加工技術的進步，解決了離心式壓縮機向高壓力、寬流量范圍發(fā)展過程中的一系列問題，使離心式壓縮機的應用范圍大為拓展。離心式壓縮機已成功地應用到汽車、直升機用燃氣輪機、柴油機的增壓器、空調、化工、石油等領域，并在許多領域中和容積式壓縮機展開了競爭，取得了很好的成績。起先離心式壓縮機只是在低中壓方面在大型企業(yè)中取代活塞式壓縮機，發(fā)展到今天，在高壓領域內和在大型企業(yè)中已取代了活塞式壓縮機。隨著高壓離心式壓縮機的有關關鍵技術(如高壓密封、小流量葉輪的制作和防喘振措施等方面)的進展，世界許多廠家所提供的離心式壓縮機性能也不斷提高。 目前，離心式壓縮機的國際發(fā)展方向是壓縮機容量不斷增大、新型氣體密封、磁力軸承和無潤滑聯(lián)軸器相繼出現(xiàn)；高壓和小流量壓縮機產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)；三元流動理論研究進一步深入，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，機組效率得到提高；采用噪音防護技術，改善操作環(huán)境等。 多年來，我國壓縮機制造業(yè)在引進國外技術，消化吸收和自主開發(fā)基礎上，攻克不少難關，取得重大突破。但是，我國離心壓縮機在高技術、高參數(shù)、高質量和特殊產(chǎn)品上還不能滿足國內需要，50%左右產(chǎn)品需要進口。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(chǎn)規(guī)模不斷擴大，我國離心壓縮機在大型化方面將面臨新的課題。 1.2.1大流量離心壓縮機研究現(xiàn)狀 德國宇航院(DFVLR) Krain 博士基于準三維氣動設計方法，通過計算機輔助設計完成了離心壓縮機后向三元葉輪的設計，并應用激光測試技術對該葉輪內部流場進行了非常詳細地測量。迄今為止，Krain 葉輪仍然是許多研究人員校驗自己設計方法的對象。 國內在離心壓縮機三元葉輪的各類反命題設計方法中，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。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 博士設計并試驗的后向三元葉輪為研究對象，對其內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，對葉片重新設計，以研究角動量分布對葉輪內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計方法，并利用 CFD 軟件 FLUENT5. 4 進行了數(shù)值計算，計算結果表明：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計方法的基礎上，王曉峰等人又探討了將離心葉輪內部的三維粘性流動求解與試驗設計技術以及響應面方法相結合的優(yōu)化設計方法。響應面方法是試驗設計與數(shù)理統(tǒng)計相結合的優(yōu)化方法，在試驗測量、經(jīng)驗公式或數(shù)值分析的基礎上，對指定的設計點集合進行連續(xù)的試驗，并在設計空間構造測定量的全局逼近，這樣便可以全面觀察響應變量在設計空間的變化。在詳細探討響應面優(yōu)化設計方法的基礎上，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)化設計，結果表明：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三維粘性流場進行了數(shù)值分析，為該類葉輪的優(yōu)化設計及改進研究打下了基礎。在此基礎上，劉瑞韜等人又對分流葉片位置對高轉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級內三維粘性流場及整級性能的影響。計算結果表明：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；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。 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。 楊策等人開發(fā)了一套將初步設計、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的離心式葉輪輔助設計系統(tǒng)，并用其設計出一種小型高轉速離心壓縮機，然后對其性能進行了詳細地分析研究。楊策等人的研究結果表明：在進口條件和轉速相同情況下，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；在較低轉速下，前傾葉輪在大部分工作范圍內效率高于普通葉輪，在較高轉速下，前傾葉輪在全工況范圍內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，國內外在采用先進技術進行離心壓縮機流場測試方面的研究較之設計方法研究則稍顯滯后。運行中的離心壓縮機內部流場測試技術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和 2 倍焦距激光測速技術幾乎同時被應用于離心壓縮機內部流場的測量。 國內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( PDA)在離心壓縮機葉輪內部流場測量中的應用，他們采用PDA 技術對試驗用離心壓縮機在小流量工況下葉輪內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氣流速度矢量的變化趨勢等流動特性。測試技術的發(fā)展必將進一步推動離心壓縮機技術的發(fā)展。 1.2.2小流量離心壓縮機研究現(xiàn)狀 F. Gui et al 進行了高速小流量離心壓縮機的設計和試驗研究。在他的文獻里介紹了一種小流量高轉速的離心壓縮機的研究結果，結果表明：小流量高轉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；在設計范圍內，大型離心壓縮機的流量 -壓比曲線要比小流量高轉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速離心壓縮機與大型離心壓縮機的設計是有區(qū)別的，大型離心壓縮機設計的經(jīng)驗方法不能完全應用于小流量高轉速離心壓縮機的設計。F.Gui et al 設計了一個葉輪直徑僅為 63mm 的小流量高轉速離心壓縮機，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)用的小流量高轉速離心壓縮機是可以實現(xiàn)的。 1.2.3 壓縮機的新發(fā)展 （一） 磁懸浮變頻離心壓縮機 Turbocor是世界上第一臺應用于通風、空調和制冷領域的無油智慧型離心壓縮機。憑借久經(jīng)航天工業(yè)考驗的磁軸承、變速離心壓縮以及數(shù)字電子技術，Turbocor壓縮機家族（名義制冷量90-150冷噸）可為中央空調市場中的水冷、蒸發(fā)冷卻及風冷機組提供最高的壓縮效率。從發(fā)明至今，丹佛斯Turbocor已經(jīng)獲得ASHRAE/AHR Expo "Energy Innovation" Award （2003），F(xiàn)rost Sullivan Compressor Technology Leadership Award（2006），U.S. EPA Climate Protection Award，Canadian Energy Efficiency Award等多項殊榮。 它具有以下特點： 1．磁懸浮無油運行 磁懸浮技術可以完全避免傳統(tǒng)油潤滑軸承的高摩擦損失、復雜的潤滑油管理與控制。磁懸浮結構由徑向軸承和軸向軸承組成，通過永久磁鐵提供主要懸浮力，使得轉子懸浮轉動。同時通過電磁鐵和傳感器帶共同配合，精確調整轉子狀態(tài)。運行時，傳感器帶進行每分鐘600萬次的數(shù)據(jù)采集分析并提供調整的指令，保證轉子軸心偏差度始終在7微米以內。2．變速驅動離心壓縮Turbocor變速離心壓縮機使用直流變速驅動的高速兩級壓縮。在冷負荷下降時，降低壓縮機的轉速，從而可在額定負荷的100%到20%，甚至更低的寬廣負荷范圍內優(yōu)化壓縮機的能耗。通過一個可供選的、數(shù)字控制的負荷平衡調節(jié)閥，壓縮機甚至可在接近零負荷的工況下穩(wěn)定運行。3．數(shù)字化、模塊化壓縮機丹佛斯Turbocor壓縮機集成壓縮機運行、電子膨脹閥、冷水機組的數(shù)控系統(tǒng)，是一臺全部數(shù)字化、智能化的壓縮機。用戶可以利用開放的通訊接口，實現(xiàn)模塊化擴展和人性化管理的開發(fā)。磁懸浮變頻離心壓縮機系統(tǒng)具有以下綜合特點： 超高節(jié)能：綜合能效比IPLV可達9.55！比傳統(tǒng)冷水機節(jié)能40％以上！ 高可靠：全方位的高可靠性保護技術，確保空調機組從容應對各種意外情況，長期安全運轉。 長期超高效：空調系統(tǒng)無油運行，徹底避免摩擦損失和潤滑油污染，真正做到超高效的長期運行，大大降低運行和維護成本。 自由擴展：單壓縮機90－150冷噸，非常便于實現(xiàn)并聯(lián)與模塊化運行，適應絕大部分場合的冷量需求。 超靜音：磁懸浮變頻空調無結構震動，機組機械傳動聲、氣流噪聲都降至最低，以前所未有的超靜音運行，充分發(fā)掘大樓設備層的商業(yè)價值. 電氣成本降低：啟動電流只有2安培，極大降低了對電網(wǎng)的沖擊，大大減少了電器安全保護方面的投入。 易于運輸，安裝，維護：Turbocor是傳統(tǒng)壓縮機重量的1/5，尺寸的1/2，機組非常便于運輸和安裝。 環(huán)保冷媒：壓縮機采用環(huán)保冷媒R134a，保護地球環(huán)境。 （二） 微型電磁壓縮機的新發(fā)展 微型電磁壓縮機發(fā)明于20世紀30年代，由于一般永磁鐵所形成的直線電動機效率低下，僅為45%～60%，由此使此種壓縮機由于能耗大而未能得到發(fā)展。近一個時期來，由于應用NdFeB永磁材料，電機效率能達到95%，因此，人們又開始應用電磁壓縮機。 （三） 使用合成潤滑油 它較礦物油的閃點高，對于那些排氣溫度超過180℃的機器，應用合成潤滑油會更安全。 1.3 本課題研究的意義與內容 離心壓縮機具有流量大、轉速高、結構緊湊，機組重量和占地面積小等獨特優(yōu)點，深得廣大設計者及用戶的青睞。近年來國內離心壓縮機的技術越來越成熟，離心式壓縮機在石化行業(yè)的發(fā)展前景愈加光明。 離心式壓縮機主要應用于石油化工等領域，并且是石化裝置中最關鍵、最核心的設備之一，設備的可靠運行對整個石化裝置的意義非常重大。氣閥是大型往復式壓縮機中最重要部件之一。目前，離心式壓縮機的國際發(fā)展方向是壓縮機容量不斷增大、新型氣體密封、磁力軸承和無潤滑聯(lián)軸器相繼出現(xiàn)；高壓和小流量壓縮機產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)；三元流動理論研究進一步深入，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，機組效率得到提高；采用噪音防護技術，改善操作環(huán)境等。 隨著離心壓縮機的發(fā)展，各種工況對機器的要求也越來越高，這就導致離心壓縮機的轉速不斷提高，為了確保離心壓縮機轉子系統(tǒng)能夠安全可靠、 長周期穩(wěn)定運轉，對離心壓縮機轉子系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，預測和判別轉子系統(tǒng)的動力可靠性，具有十分重要的理論和實際意義。因此如何保證離心壓縮機轉子的制造質量成為了當前普遍關注的另一個意義重大的課題。 正如上文所述壓縮機的用途極為廣泛，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防甚至生活的各個領域，特別是隨著近幾年的經(jīng)濟發(fā)展，行業(yè)集中度有所提高，石化行業(yè)更是得到飛速發(fā)展，離心式壓縮機在提高功率、提升穩(wěn)定性及噪音比，保持原有技術優(yōu)勢的同時擴大適用范圍等方面迎來了新時期賦予的無限憧憬，也為設計者提供更為廣闊的科研平臺。 （一） 設計參數(shù) 1 型號：MCL 2 型式：2MCL457離心式壓縮機 3 排氣量： 4 進口壓力： 5 出口壓力： 6 進口溫度：=30℃ 7 排氣溫度：=42℃ 8 交流電機驅動 （二） 設計內容 1 總體結構設計 2 主要技術參數(shù)的設計與計算 3 單軸多級離心壓縮機轉子的制造與質量控制研究（專題） 4 結論 第2章 工作原理與結構設計 2.1 離心壓縮機的工作原理 離心式壓縮機的工作原理是氣體進入離心式壓縮機的葉輪后，在葉輪葉片的作用下，一邊跟著葉輪作高速旋轉，一邊在旋轉離心力的作用下向葉輪出口流動，并受到葉輪的擴壓作用，其壓力能和動能均得到提高，氣體進入擴壓器后，動能又進一步轉化為壓力能，氣體再通過彎道、回流器流入下一級葉輪進一步壓縮，從而使氣體壓力達到工藝所需的要求。 2.1.1 離心壓縮機的主要特點 (一) 流量大 離心壓縮機中氣體是連續(xù)流動，流通截面較大，同時葉輪轉速很高，故流量很大，進氣量在5000m3/min以上。 (二) 轉速高 離心壓縮機中轉子只作旋轉運動，轉動慣量小，且與靜止部件不接觸。這不僅減少了摩擦，還可大大提高轉速。 (三) 結構緊湊 機組重量及占地面積都比同一氣量的活塞壓縮機小得多。 (四) 運轉可靠 由于轉動部件與靜止部件不直接接觸摩擦，因而運轉平穩(wěn)、排氣均勻、易損件少，一般可連續(xù)運轉一年以上。且不需備用機組，維修量小。 (五) 單級壓力比不高 目前排氣壓力需在500105Pa以上時，只能使用活塞壓縮機。 (六) 效率稍低 由于離心壓縮機中氣流速度較大，造成能量損失較大，故效率較活塞壓縮機稍低。 (七) 需要安全保障措施 由于離心壓縮機轉速高、功率大、無備機，因此一旦發(fā)生事故，后果是嚴重的，需有一系列緊急安全保障設施。 2.2 壓縮機的結構設計及方案選擇 2.2.1離心式壓縮機的主要結構 圖2.1所示為一臺離心式壓縮機的結構視圖。機器結構為2MCL型。離心壓縮機一般由殼體、轉子、定子、軸封以及輔助系統(tǒng)等五個部分組成。 圖2.1 2MCL457離心壓縮機 （一） 殼體 離心式壓縮機的殼體結構主要有水平剖分型和垂直剖分型兩種。水平剖分型的殼體分為上、下兩半，出口壓力一般低于7.85MPa，是用途最廣泛的一種結構型式。 此次設計采用水平剖分，鑄造殼體。 （二） 轉子 壓縮機的轉子是壓縮機的主要工作部件，包括主軸、葉輪、軸套、軸螺母、隔套、平衡盤和推力盤等。 其中葉輪，又稱工作輪，是壓縮機中能使氣體提高能量的唯一元件葉輪按其整體結構可分為開式、半開式和閉式三種，壓縮機中實際應用的是半開式和閉式兩種。葉輪隨葉片出口角的不同，可分為前向葉輪(不采用) 、徑向葉輪和后向葉輪。 設計中采用閉式后向葉輪 （三） 定子 定子主要由隔板形成的彎道、擴壓器、回流器等，其中擴壓器是能把速度能轉化為壓力能的元件。 離心式壓縮機的擴壓器分無葉擴壓器和葉片擴壓器兩種。 無葉擴壓器效率較低，但結構簡單， 同一無葉擴壓器可與不同出口角的葉輪匹配工作。 對于工況變化較大的情況，采用無葉擴壓器較好。 具有相同擴壓度時，葉片擴壓器的徑向尺寸比無葉擴壓器小， 對于工況變化小的情況，為了提高效率，以采用葉片擴壓器較好。設計中采用有葉擴壓器。 （四） 軸封 在離心式壓縮機的各級之間和主軸穿過機殼處，為了防止泄漏，安裝軸封裝置。軸封型式有迷宮密封、機械密封、浮環(huán)密封和抽氣密封等。 迷宮密封是在密封體上嵌入或鑄入或用堵縫線固定多圈翅片，構成迷宮襯墊。翅片的材料有黃銅片、磷青銅片、鉛青銅片、鋁片和白合金片等。視氣體的性質、有無灰塵或霧，以及氣體溫度而定。 浮環(huán)密封的工作原理是：在機器運行時注入高壓油，密封環(huán)在旋轉的軸上浮動，環(huán)與軸之間形成穩(wěn)定的液膜，阻止高壓氣體泄漏。因此特別適用于大壓差、 高轉速的離心式壓縮機。 機械密封由動環(huán)和靜環(huán)組成的摩擦面，阻止高壓氣體泄漏。密封性能好，結構緊湊，但摩擦副的線速度不能太高，工作時所需高于被密封的內部氣體的潤滑油壓，要比采用浮環(huán)密封時高。機械密封一般在轉速n3000r/min時采用。機構密封可適用于大多數(shù)氣體，但它主要是用于清潔的氣體、重烴氣體和冷劑氣體等。設計中采用迷宮密封。 （五） 輔助系統(tǒng) 壓縮機安裝在底座上，通過底座固定在水泥基礎上。通過油站來提供潤滑或密封用油，有時需要氣體冷卻器來降低氣體溫度，冷凝的液體通過氣液分離器來分離掉；對于電機驅動的壓縮機，還需要配備變速機；在機組旁布置油、氣管線等。為了保證壓縮機的長期穩(wěn)定運行，還配備了可靠的控制系統(tǒng)和防喘振系統(tǒng)。 第3章 主要技術參數(shù)的設計與計算 3.1 級數(shù)選擇和各級壓力比的分配 3.1.1 級數(shù)的選擇 在選擇壓縮機的級數(shù)時，一般應遵循下列原則：使壓縮機消耗的功最小、排氣溫度應在使用條件許可的范圍內、機器重量輕、造價低。要使機器具有較高的熱效率，則級數(shù)越多越好（各級壓力比越小越好）。然而級數(shù)增多，則阻力損失增加，機器總效率反而降低，結構也更加復雜，造價隨之大大上升。 根據(jù)設計要求知道壓力比為： (3-1） 比較大，為了節(jié)能，宜選用多級中間冷卻型的壓縮機。級數(shù)約為6級或7級，本設計中選用7級。可采用兩級中間冷卻，末級出口空氣的溫度也將大于42℃，為此只能在壓縮機中采用一個中間冷卻器，而在壓縮機出口之后設置第二個中間冷卻器，使排除的空氣冷卻至接近于常溫的42℃。壓力比為9，一次中間冷卻的省功比為18%。 取流量余量系數(shù)為1.02，則該壓縮機輸送的空氣質量流量為 （3-2） 取壓力升余量系數(shù)為1.04，則壓縮機進出口壓力比為 3.1.2流量系數(shù)的選擇 流量系數(shù) 一級 二級 三級 四級 五級 六級 七級 φ2r 0.284 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 3.1.3理論能量頭的計算 第一級理論能量頭Hth的計算 第二級理論能量頭Hth的計算 第三級理論能量頭Hth的計算 第四級理論能量頭Hth的計算 第五級理論能量頭Hth的計算 第六級理論能量頭Hth的計算 第七級理論能量頭Hth的計算 3.1.4輪阻損失與漏氣損失系數(shù)比的選取 系數(shù)比 一級 二級 三級 四級 五級 六級 七級 βdf /βl 0.022/0.01 0.023/0.013 0.026/0.015 0.032/0.018 0.035/0.02 0.037/0.023 0.040/0.025 3.1.5總能量頭的計算 第一級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）Hth=55.973 kJ/kg 第二級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）Hth =57.924 kJ/kg 第三級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =59.656 kJ/kg 第四級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =49.211 kJ/kg 第五級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =50.902 kJ/kg 第六級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =52.606 kJ/kg 第七級總能量頭Htot的計算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =53.473 kJ/kg 3.1.6多變效率ηpol的選取 多變效率 一級 二級 三級 四級 五級 六級 七級 ηpol 0.78 0.77 0.76 0.77 0.76 0.75 0.76 3.1.7各級壓力比的選擇 第一級的壓力比 第二級的壓力比 第三級的壓力比 第四級的壓力比 =1.4064 第五級的壓力比 第六級的壓力比 第七級的壓力比 m為多變指數(shù)取m=1.4 3.2 葉輪主要參數(shù)的確定 前三級為第一段，取相同的參數(shù)為D2=450mm，n=12238r/min，u2=288.35m/s，β2A=50℃，Z=22片，δ2=4mm， 后四級為一段，第四級取D2=450mm，后三級取相同的參數(shù)D2=410mm，n=12238r/min，u2=262.72m/s，β2A=45℃，Z=22片，δ2=4mm， 3.3 工作氣體各個參數(shù)的確定以及電動機的選擇 3.3.1 各級出口壓力的計算 第一級的出口壓力 第二級的出口壓力 第三級的出口壓力 第四級的出口壓力 第五級的出口壓力 第六級的出口壓力 第七級的出口壓力 3.3.2 出口溫度的計算 第一級的出口溫度 第二級的出口溫度 第三級的出口溫度 經(jīng)冷卻器冷卻后溫度為315K 第四級的出口溫度 第五級的出口溫度 第六級的出口溫度 第七級的出口溫度 經(jīng)冷卻器冷卻后溫度為315K 3.3.3 各級進口流量及出口流量的計算 第一級進口流量 第二級進口流量 第三級進口流量 第三級出口流量 第四級進口流量 第五級進口流量 第六級進口流量 第七級進口流量 第七級出口流量 3.3.4 等熵指數(shù)的kv2選取 等熵指數(shù) 一級 二級 三級 四級 五級 六級 七級 kv2 1.2 1.18 1.16 1.17 1.155 1.14 1.12 3.3.5 葉輪出口相對寬度的計算 第一級葉輪的出口相對寬度 第二級葉輪的出口相對寬度 第三級葉輪的出口相對寬度 第四級葉輪的出口相對寬度 第五級葉輪的出口相對寬度 第六級葉輪的出口相對寬度 第七級葉輪的出口相對寬度 3.3.6 電機的選擇 （一） 內功率 （二） 效率ηm =0.97 （三） 軸功率 （四） 電機輸出功率Nd =1600k 根據(jù)以上的計算，兩個冷卻器應按進口流量qv1=1.62m3/s,冷前溫度T=475K，冷后溫度T=315K和qv2=0.57 m3/s，冷前溫度T=467.1K，冷后溫度T=315K選型與設計。根據(jù)以上計算，這臺離心壓縮機可以設計為2MCL457離心壓縮機。 3.4 主軸的校核 由于離心壓縮機的主軸在運行中承受著扭矩、彎矩和離心力的作用，同時，還有振動應力和熱應力。因此在選擇主軸材料時，必須考慮材料的力學性能，所以主軸應選用特殊的合金鋼結構34CrMo1A。 軸強度校核 其強度條件為 式中 ——軸的扭剪應力，MPa； T——軸傳遞的轉矩，N?mm； ——軸的抗扭截面模量，mm3； P——軸傳遞的功率，kW； n——軸的轉速，r/min； ——軸材料的許用扭剪應力，MPa。 對于實心圓軸 ，則軸的直徑應滿足 （4-17） 在本設計中，P=1600 kW，n=12200r/min。 查表知34CrMo1A的許用扭剪應力。 將上述數(shù)據(jù)帶入公式計算得： 由上式求出的d值，一般作為軸端處的最小直徑。 本設計中軸受力的最小軸徑,安全。 第4章 單軸多級離心壓縮機轉子的制造與質量控制研究（專題） 4.1 轉子的簡介及組成 離心壓縮機的轉子包括軸，固在軸上的葉輪、軸套、聯(lián)軸器及平衡盤組成。葉輪等零件套在主軸上組成轉子，轉子支承在軸承上，由動力機驅動而高速旋轉。轉子組件是旋轉機械的核心部分，如果其中某個零部件出了毛病，或在某個連接配合部位發(fā)生了異常變動，就會立即引起機組強烈的振動。因此轉子的制造與質量控制在整個壓縮機的設計，制造過程中就顯得尤為重要。而作為轉子上最為重要的零件葉輪和主軸的制造更是重中之重。 4.2 葉輪的加工方案及質量控制 目前在葉輪的加工方法有鉚接結構、鑄造結構、焊接結構、鍛造結構以及特殊加工（釬焊、電解加工等）方法。無論任何的葉輪加工方法在精加工過程中最會出現(xiàn)這樣或那樣的缺陷，而怎樣處理這些缺陷對葉輪的加工則是至關重要的。本章則主要介紹三體焊接結構的離心壓縮機葉輪，即輪盤、輪蓋、葉片分別加工，然后把葉片焊在輪盤上，葉片與輪蓋采用塞焊工藝。也有采用兩體焊接結構的，即葉片由靠模或數(shù)控銑床在輪盤上直接銑成，再用塞焊工藝把輪蓋焊上在制造過程中我們發(fā)現(xiàn)個別葉輪在精加工時，會發(fā)生未焊透或表面顯微裂紋等缺陷。本章就該課題介紹如下。 4.2.1缺陷的類型和分析 離心式壓縮機高低壓缸所有葉輪由輪盤、葉片、輪蓋三體焊接而成。葉片為錐面扭曲型，制造工藝復雜。葉輪材料為KMn。制造中三體焊接的離心壓縮機葉輪在輪盤、輪蓋表面各預留0. 2mm的精加工量，外徑端面預留0. 60mm加工量。當精加工到圖紙尺寸公差范圍內時，個別葉輪出現(xiàn)缺陷。缺陷形式一般為(1)端面流道口未焊透。如為某廠的離心式壓縮機制造葉輪時，發(fā)現(xiàn)高壓缸第三級葉輪流道口存在長3mm，深1. 5mm的未焊透缺陷，位置在葉片與輪蓋塞焊焊接的根部。雖然未焊透的兩端是圓滑的，不同于裂紋，但葉輪運轉時在應力作用下未焊透易發(fā)展成為裂紋；(2)輪蓋上表面發(fā)狀裂紋。如高壓缸第七級葉輪輪蓋塞焊焊縫上，經(jīng)放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)長3～4mm發(fā)狀裂紋，深0. 4～0.5mm，經(jīng)分析為表面顯微裂紋。兩類缺陷都必須消除。 4.2.2缺陷處理方法的探討 由于葉輪精加工已經(jīng)達到圖紙幾何尺寸，為了消除缺陷保證葉輪質量，要解決的關鍵問題是(1)不能因焊接變形而造成葉輪尺寸超差導致報廢，即補焊要控制焊接熱輸入量，焊接后必須保證葉輪的幾何尺寸在圖紙公差范圍內；(2)焊后熱處理后必須保證葉輪的機械性能和金相組織；同時葉輪熱處理時必須防止表面氧化脫碳及變形。 (一) 檢測方法 (1)使用著色法（或磁粉）檢測定位并確定缺陷的類型、位置。磁粉法檢查后的葉輪要作退磁處理，殘余磁性應小于或等于10-3T； (2)用超聲波檢測缺隋深度。 (二) 處理方法選擇 為了選擇合理的處理方式，做了兩個對比試驗。(l)焊后回火處理對硬度和金相組織的試驗：將補焊后未立即進行回火處理的葉輪試樣進行檢測補焊區(qū)的金相組織和硬度，。 由此表明，補焊區(qū)出現(xiàn)條狀馬氏體，硬度亦高，這說明補焊區(qū)應立即進行回火處理；(2)回火次數(shù)對機械性能影響的試驗：按國內外技術條件規(guī)定：精加工后作著 取4組試樣，經(jīng)不同回火次數(shù)，逐個取樣檢查色（或磁粉）檢查，不得有裂紋存在。 由此可見，在回火溫度60010℃，保溫2h，回火次數(shù)對機械性能的影響是不大的。因此，可采用補焊方法來消除葉輪缺陷，并證實焊接工藝及焊后熱處理是與葉輪質量密切相關的。 (三) 處理方法 根據(jù)缺陷深度可采用不同處理方法。 (1)如缺陷不深，可采用打磨圓滑過渡。采用打磨拋光方法去除缺陷時，在輪蓋表面上打磨深度應嚴格控制。建議在離葉輪外緣12. 8mm的范圍內不能打磨；在離葉輪外緣12. 5—60mm范圍內允許打磨，打磨深度不超過0. 35mm。此數(shù)值與國內動平衡去重時的要求基本一致；(2)缺陷深時，可用dl:)5mm鉆頭打孔去除缺陷，用手工焊或氬弧焊進行補焊。焊前要預熱，焊后消除應力。經(jīng)精整后，用著色法對葉輪表面檢查補焊區(qū)焊縫及熱影響區(qū)，并進行最終檢驗。 4.2.3補焊處理 (一) 流道口未焊透的處理 1、焊前準備 (1)鉆孔，去除缺陷，制備坡口的角度為60～70。的V型或U型，底部不允許有尖角，且無油污等物；(2)丙酮清洗焊接表面。 2、焊接工藝 (1)預熱350℃，保溫2h;(2)采用氬弧焊，氬氣必須預熱到150℃左右，縱免焊肉激冷。預熱方法是將氬氣通過36V氣體預熱器；(3)焊絲采用H13CrMoA，為慎重起見，使用前在理化試驗室用光譜法確認含有Cr、Mo；(4)焊接工藝參數(shù)：電源極性的D。正極，焊材為H13CrMoA，焊絲直徑為q>2mm，焊接電流為80～100A，焊接電壓為12V；(5)鎢棒預先在附加鋼板上引弧，待鎢棒變紅后再移至坡口上焊接，注意防止弧坑裂紋。 3、焊后熱處理 焊后立即進爐熱處理，消除應力，熱處理溫度600土10℃，保溫2h，為防止葉輪表面氧化脫碳，在加熱全過程采用氬氣（或氮氣）保護，我公司采用氬氣保護，流量控制在1. 2～1. 6L/min，并保證熱處理爐內氣氛為正壓。 4、尺寸復核 熱處理后復核尺寸如下：內孔均勻漲大0．0lmm，屬公差允許范圍內； 外徑補焊處局部漲大0.0lmm;與輪蓋補焊區(qū)對應部份的輪盤被凸出0. 04mm。 5、葉輪精整 按技術條件葉輪最大直徑側面偏擺量允許值為0. 1mm，葉輪最大外徑跳動量允許值為0.1mm。經(jīng)對葉輪外徑和輪盤精車光刀后，其結果均符合技術條件。 6、最終檢驗 經(jīng)著色檢查、做動平衡、單個葉輪超速試驗后均合格。 (二) 表面顯微裂紋的處理 對第七級葉輪采用手工焊補焊處理。 1、焊前準備打磨去除缺陷，剖面為大于或等于90。的V型或U型，底部不應有尖角，且無油污等物；丙酮清洗坡口。 2、焊接工藝(l)預熱350℃，保溫2h；(2)采用857+鉻焊條，并按規(guī)定要求烘烤；(3)焊接工藝參數(shù)：電源極性為D。正極，焊材為結857+鉻，焊條直徑
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