MCL457離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書.doc
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2MCL457離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 東 北 大 學(xué) 2011年6月 Design of 2MCL457 centrifugal compressor Northeastern University June 2011 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 2MCL457離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容： 一、設(shè)計(jì)工作圖一套： 總計(jì)折合4張0#圖。其中包括： 1、2MCL457離心壓縮機(jī)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(jì)一張0#。 二、設(shè)計(jì)文件一套： 其中包括：設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)計(jì)算、專題部分、參考文獻(xiàn)列表、外文翻譯（原文、譯文）。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分： 題目：單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造與質(zhì)量控制研究 基本內(nèi)容： 一、葉輪的加工方案及質(zhì)量控制。 二、主軸的加工。 三、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方案的選擇。 學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 2MCL457離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 壓縮機(jī)是用以提高各種氣體壓力的一種通用機(jī)械，是機(jī)械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一。在國民經(jīng)濟(jì)許多部門中得到十分廣泛的應(yīng)用，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防、科研乃至人民生活的許多領(lǐng)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(dòng)力設(shè)備。離心式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域，并且是石化裝置中最關(guān)鍵最核心的設(shè)備之一，設(shè)備的可靠運(yùn)行對(duì)整個(gè)石化裝置的意義非常重大。 本課題主要是針對(duì)目前國內(nèi)石化行業(yè)對(duì)離心式壓縮機(jī)的需求，完成2MCL457型離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、效率等方面做一些優(yōu)化和完善的工作，特別是對(duì)轉(zhuǎn)子的制造和質(zhì)量控制方面進(jìn)行探究，以提高壓縮機(jī)的性能水平和設(shè)計(jì)水平。 首先，對(duì)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行驗(yàn)證、選擇，其中要進(jìn)行壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇。然后，完成技術(shù)選擇和壓力比的分配，進(jìn)而確定壓縮機(jī)的葉輪的主要參數(shù)。從而確定壓縮機(jī)整體的主要技術(shù)參數(shù)，再根據(jù)所得參數(shù)，計(jì)算出所需功率及電機(jī)軸功，選配電機(jī)。 根據(jù)給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，參考相關(guān)文獻(xiàn)和資料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定2MCL離心壓縮機(jī)的基本參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。在此基礎(chǔ)上，完成產(chǎn)品的工程圖紙，并完最終成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。其中，重點(diǎn)是對(duì)提高轉(zhuǎn)子的制造質(zhì)量進(jìn)行探究，并在設(shè)計(jì)中予以關(guān)注。 關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；離心式；2MCL型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 I 摘 要 II Abstract III 第1章 緒論 1 1.1 壓縮機(jī)簡介 1 1.1.1 壓縮機(jī)的分類 1 1.1.2 壓縮機(jī)的用途 3 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.2.1大流量離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀 4 1.2.2小流量離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀 7 1.2.3 壓縮機(jī)的新發(fā)展 7 1.3 本課題研究的意義與內(nèi)容 9 第2章 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.1 離心壓縮機(jī)的工作原理 11 2.1.1 離心壓縮機(jī)的主要特點(diǎn) 11 2.2 壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案選擇 12 2.2.1離心式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu) 12 第3章 主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 14 3.1 級(jí)數(shù)選擇和各級(jí)壓力比的分配 14 3.1.1 級(jí)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(jì)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(jì)算 15 3.1.6多變效率ηpol的選取 16 3.1.7各級(jí)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(gè)參數(shù)的確定以及電動(dòng)機(jī)的選擇 17 3.3.1 各級(jí)出口壓力的計(jì)算 17 3.3.2 出口溫度的計(jì)算 18 3.3.3 各級(jí)進(jìn)口流量及出口流量的計(jì)算 18 3.3.4 等熵指數(shù)的kv2選取 19 3.3.5 葉輪出口相對(duì)寬度的計(jì)算 19 3.3.6 電機(jī)的選擇 20 3.4 主軸的校核 20 第4章 單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造與質(zhì)量控制研究（專題） 22 4.1 轉(zhuǎn)子的簡介及組成 22 4.2 葉輪的加工方案及質(zhì)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(bǔ)焊處理 24 4.3主軸的加工 25 4.3.1主軸的特點(diǎn) 25 4.3.2主軸的材料 26 4.3.3主軸的加工 26 4.3轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方案的選擇 26 4.3.1高、低速動(dòng)平衡方案的確定 27 4.3.2動(dòng)平衡精度的確定 28 第5章 環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性分析 30 第6章 結(jié)論 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 34 附 錄 35 第1章 緒論 1.1 壓縮機(jī)簡介 壓縮機(jī)是用以提高各種氣體壓力的一種通用機(jī)械，是機(jī)械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一。在國民經(jīng)濟(jì)許多部門中的道十分廣泛的應(yīng)用，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防、科研乃至人民生活的許多領(lǐng)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(dòng)力設(shè)備，并且是關(guān)鍵設(shè)備。因此，壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等四大類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造水平，以及他們的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性，已被認(rèn)為是衡量一個(gè)國家機(jī)械工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和水平的標(biāo)志之一。 1.1.1 壓縮機(jī)的分類 為了研究和應(yīng)用的方便，一般將壓縮機(jī)按照以下五種方式進(jìn)行分類。 （一） 按工作原理分類 （1） 容積式壓縮機(jī) 直接對(duì)一可變?nèi)莘e中的氣體進(jìn)行壓縮，使該部分氣體容積縮小、壓力提高。其特點(diǎn)是壓縮機(jī)具有容積可周期變化的工作腔。 （2） 動(dòng)力式壓縮機(jī) 它首先使氣體流動(dòng)速度提高，即增加氣體分子的動(dòng)能;然后使氣流速度有序降低，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，與此同時(shí)氣體容積也相應(yīng)減小，其特點(diǎn)是壓縮機(jī)具有驅(qū)使氣體獲得流動(dòng)速度的葉輪。動(dòng)力式壓縮機(jī)在我國個(gè)別文獻(xiàn)中稱為速度式壓縮機(jī)。 （二） 按排氣壓力分類 （1） 通風(fēng)機(jī) 約15kPa （2） 鼓風(fēng)機(jī) 小于0.3MPa （3） 低壓壓縮機(jī) 0.3~1.0MPa （4） 中壓壓縮 1.0~10MPa （5） 高壓壓縮機(jī) 10~100MPa （6） 超高壓壓縮機(jī) 100MPa 按排氣壓力分類時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為大氣壓力或小于0.2MPa，對(duì)于進(jìn)氣壓力高于0.2MPa的壓縮機(jī)，特稱為“增壓壓縮機(jī)”。化工廠中常用的循環(huán)氣壓縮機(jī)（循環(huán)泵）即為增壓壓縮機(jī)的一種。 （三） 按壓縮級(jí)數(shù)分類 （1） 單級(jí)壓縮機(jī)：氣體僅通過一次工作腔或葉輪壓縮。 （2） 兩級(jí)壓縮機(jī)：氣體順次通過兩次工作腔或葉輪壓縮。 （3） 多級(jí)壓縮機(jī)：氣體順次通過多次工作腔或葉輪壓縮，相應(yīng)通過次數(shù) 便是對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)。 在容積式壓縮機(jī)中，每經(jīng)過次工作腔壓縮后，氣體便進(jìn)入冷卻器中進(jìn)行一次冷卻；而在動(dòng)力式壓縮機(jī)中，往往經(jīng)過兩次或兩次以上葉輪壓縮后，才進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻。并把每進(jìn)行一次冷卻的數(shù)個(gè)壓縮級(jí)合稱為一個(gè)段。在日本把容積式壓縮機(jī)的級(jí)稱為“段”，我國個(gè)別地區(qū)、個(gè)別文獻(xiàn)受此影響。也把級(jí)稱為“段”。 （四） 按容積流量分類 （1） 微型壓縮機(jī) 小于1m3/min （2） 小型壓縮機(jī) 1~10m3/min （3） 中型壓縮機(jī) 10~100m3/min （4） 大型壓縮機(jī) 10m3/min （五） 按離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是拆裝較方便，但不適于高壓氣體或小相對(duì)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(jī)，氨、丙烷、丙烯等冷凍壓縮機(jī)，合成尿素氣體壓縮機(jī)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(jī)型采用筒形機(jī)殼，垂直剖分，用螺栓將端蓋與圓筒形機(jī)殼連接在一起（端蓋與機(jī)殼間有時(shí)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(jī)以及其他石油化工循環(huán)機(jī)等。其使用壓力可達(dá)45MPa左右，最高排氣壓力可達(dá)70MPa。 （3） 等溫型：在汽缸內(nèi)部設(shè)置級(jí)間冷卻器，使每級(jí)氣體壓縮后立即降溫，再導(dǎo)入下一級(jí)中保持基本等溫壓縮。等溫型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較緊湊，且能在低功耗、高效率條件下進(jìn)行壓縮，按用途和輸送介質(zhì)的性質(zhì)可以分為空氣壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、裂解氣壓縮機(jī)、氨凍冷機(jī)、乙烯壓縮機(jī)及丙烯壓縮機(jī)等。 1.1.2 壓縮機(jī)的用途 壓縮機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用可以分為以下四個(gè)方面。 （一） 動(dòng)力用壓縮機(jī) 利用壓縮空氣作為動(dòng)力風(fēng)源，具有安全、經(jīng)濟(jì)、效率高的特點(diǎn)。因此，在機(jī)械、礦山、建筑等工業(yè)中廣泛利用壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)各種風(fēng)動(dòng)工具。交通運(yùn)輸中利用壓縮空氣制動(dòng)車輛、啟動(dòng)門窗。另外在大型發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、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(jī)成為必不可少的設(shè)備。 （二） 化工工藝用壓縮機(jī) 在化學(xué)工業(yè)中，將氣體壓縮至高壓，有利于化學(xué)反應(yīng)。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(jìn)行不同階段需要不同壓力的壓縮機(jī)。因而，各種氣體壓縮機(jī)是化學(xué)工業(yè)極為重要的關(guān)鍵設(shè)備之一。 （三） 制冷和氣體分離用壓縮機(jī) 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(dá)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(jī)是制冷裝置和氣體分離設(shè)備中的主機(jī)。 （四） 氣體輸送用壓縮機(jī) 在石油、化工生產(chǎn)中，常利用管道輸送氣體，則需用壓縮機(jī)增壓，以克服流動(dòng)過程中的管道阻力。這種壓縮機(jī)的壓力，視其管道長短而定。當(dāng)利用有限的容積輸送較多的氣體時(shí)，可利用壓縮機(jī)將氣體壓力提高后，以較小的體積注入瓶中，達(dá)到裝瓶輸送氣體的目的。 容積式壓縮機(jī)的種類很多，適用的范圍各不相同。據(jù)我國機(jī)械工業(yè)部的統(tǒng)計(jì)，到1990年，社會(huì)對(duì)各類容積式壓縮機(jī)的需求量（按噸位計(jì)）為：活塞式壓縮機(jī)86%，螺桿式75%，滑片式3.5%，隔膜式及其它型式為3%。三機(jī)一泵（壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)和泵）是流體機(jī)械的重要組成部分，它們被用來將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的壓力能、動(dòng)能，其電力消耗占全國發(fā)電總量的三分之一，是許多基礎(chǔ)工業(yè)和能源工業(yè)的心臟設(shè)備。從這里可以看到，活塞式壓縮機(jī)的需求量最多，其在社會(huì)建設(shè)中的重要意義也就不言而喻。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著氣體動(dòng)力學(xué)研究的進(jìn)展，離心式壓縮機(jī)的效率不斷得到提高；新材料的問世，軸承、密封技術(shù)及機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，解決了離心式壓縮機(jī)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(jī)的應(yīng)用范圍大為拓展。離心式壓縮機(jī)已成功地應(yīng)用到汽車、直升機(jī)用燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)的增壓器、空調(diào)、化工、石油等領(lǐng)域，并在許多領(lǐng)域中和容積式壓縮機(jī)展開了競(jìng)爭，取得了很好的成績。起先離心式壓縮機(jī)只是在低中壓方面在大型企業(yè)中取代活塞式壓縮機(jī)，發(fā)展到今天，在高壓領(lǐng)域內(nèi)和在大型企業(yè)中已取代了活塞式壓縮機(jī)。隨著高壓離心式壓縮機(jī)的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)(如高壓密封、小流量葉輪的制作和防喘振措施等方面)的進(jìn)展，世界許多廠家所提供的離心式壓縮機(jī)性能也不斷提高。 目前，離心式壓縮機(jī)的國際發(fā)展方向是壓縮機(jī)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(jī)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)；三元流動(dòng)理論研究進(jìn)一步深入，不僅應(yīng)用到葉輪設(shè)計(jì)，還發(fā)展到葉片擴(kuò)壓器靜止元件設(shè)計(jì)中，機(jī)組效率得到提高；采用噪音防護(hù)技術(shù)，改善操作環(huán)境等。 多年來，我國壓縮機(jī)制造業(yè)在引進(jìn)國外技術(shù)，消化吸收和自主開發(fā)基礎(chǔ)上，攻克不少難關(guān)，取得重大突破。但是，我國離心壓縮機(jī)在高技術(shù)、高參數(shù)、高質(zhì)量和特殊產(chǎn)品上還不能滿足國內(nèi)需要，50%左右產(chǎn)品需要進(jìn)口。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(kuò)大，我國離心壓縮機(jī)在大型化方面將面臨新的課題。 1.2.1大流量離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀 德國宇航院(DFVLR) Krain 博士基于準(zhǔn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成了離心壓縮機(jī)后向三元葉輪的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用激光測(cè)試技術(shù)對(duì)該葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了非常詳細(xì)地測(cè)量。迄今為止，Krain 葉輪仍然是許多研究人員校驗(yàn)自己設(shè)計(jì)方法的對(duì)象。 國內(nèi)在離心壓縮機(jī)三元葉輪的各類反命題設(shè)計(jì)方法中，以角動(dòng)量的不同分布來控制葉片幾何型線的方法應(yīng)用較廣。角動(dòng)量的分布規(guī)律直接決定葉片載荷的大小并影響流動(dòng)方向、跨盤蓋方向的速度分布，而速度分布對(duì)葉輪二次流的強(qiáng)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(duì)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(dòng)量分布是設(shè)計(jì)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(jì)并試驗(yàn)的后向三元葉輪為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)及氣動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算，在保留子午型線的前提下，改變角動(dòng)量分布，對(duì)葉片重新設(shè)計(jì)，以研究角動(dòng)量分布對(duì)葉輪內(nèi)部三維流場(chǎng)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(zhǔn)則的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，并利用 CFD 軟件 FLUENT5. 4 進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：角動(dòng)量的不同分布對(duì)離心壓縮機(jī)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(zhǔn)則的離心壓縮機(jī)三元葉輪的實(shí)用設(shè)計(jì)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(dòng)求解與試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)以及響應(yīng)面方法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。響應(yīng)面方法是試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的優(yōu)化方法，在試驗(yàn)測(cè)量、經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，對(duì)指定的設(shè)計(jì)點(diǎn)集合進(jìn)行連續(xù)的試驗(yàn)，并在設(shè)計(jì)空間構(gòu)造測(cè)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(jì)空間的變化。在詳細(xì)探討響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，他們以某工業(yè)離心壓縮機(jī)中間級(jí)葉輪為研究對(duì)象，采用響應(yīng)面方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：與原始葉輪相比，性能有較大改進(jìn)。 為減小離心壓縮機(jī)葉輪進(jìn)口的沖擊損失，降低葉片厚度對(duì)進(jìn)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(jī)葉輪廣泛采用了長、短葉片(分流葉片)的形式。劉瑞韜等人運(yùn)用三維粘性流動(dòng)數(shù)值計(jì)算程序 Fine/ Turbo 對(duì)含分流葉片的離心壓縮機(jī)級(jí)內(nèi)三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，為該類葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)研究打下了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，劉瑞韜等人又對(duì)分流葉片位置對(duì)高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了分流葉片不同起始位置及不同周向位置對(duì)壓縮機(jī)級(jí)內(nèi)三維粘性流場(chǎng)及整級(jí)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：采用分流葉片在進(jìn)口處會(huì)減少葉片阻塞；不同分流葉片起始位置時(shí)長葉片進(jìn)口流場(chǎng)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(dāng)分流葉片長度達(dá)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(shí)的葉輪模型級(jí)效率最高，壓縮機(jī)性能最好。 初雷哲、杜建一等人采用 CFD 軟件對(duì)微型燃機(jī)的離心葉輪進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了葉片數(shù)及分流葉片位置對(duì)葉輪性能的影響，并進(jìn)行了流場(chǎng)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(gè)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(shí)，性能曲線右移，流通能力提高，同時(shí)會(huì)使分流葉片的載荷增大，當(dāng)分流葉片位置靠近主葉片吸力面時(shí)，情況正好相反。 楊策等人開發(fā)了一套將初步設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化計(jì)算、性能預(yù)測(cè)、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(jì)系統(tǒng)，并用其設(shè)計(jì)出一種小型高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)，然后對(duì)其性能進(jìn)行了詳細(xì)地分析研究。楊策等人的研究結(jié)果表明：在進(jìn)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(jī)的特性；頂部間隙增大時(shí)，離心壓縮機(jī)壓比減小，效率下降；對(duì)于小流量的離心壓縮機(jī)，葉輪進(jìn)口彎曲對(duì)葉輪在設(shè)計(jì)點(diǎn)的絕熱效率影響不大，葉輪出口彎曲對(duì)離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率影響很??；葉輪正彎時(shí)存在一個(gè)最高效率點(diǎn)，當(dāng)葉輪正彎度大于或小于這個(gè)數(shù)值時(shí)效率均下降；采用前傾葉輪可以提高壓縮機(jī)的效率，但降低了壓縮機(jī)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(duì)離心壓縮機(jī)的研究主要是通過數(shù)值計(jì)算來進(jìn)行，一般是先用自己開發(fā)的計(jì)算程序或應(yīng)用軟件計(jì)算國外文獻(xiàn)提到的有詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果的離心壓縮機(jī)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(yàn)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(jìn)技術(shù)進(jìn)行離心壓縮機(jī)流場(chǎng)測(cè)試方面的研究較之設(shè)計(jì)方法研究則稍顯滯后。運(yùn)行中的離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的重大突破是伴隨著激光速度測(cè)量學(xué)的成功發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的。1970 年，Eckardt 運(yùn)用Schodld 的 2 倍焦距激光測(cè)速計(jì)(Laser - 2focus- Velocimeter)對(duì)壓比為 3 的壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究。在 20 世紀(jì) 60 年代初出現(xiàn)的激光多普勒測(cè)速技術(shù)和 2 倍焦距激光測(cè)速技術(shù)幾乎同時(shí)被應(yīng)用于離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量。 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(cè)速技術(shù)( PDA)在離心壓縮機(jī)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用，他們采用PDA 技術(shù)對(duì)試驗(yàn)用離心壓縮機(jī)在小流量工況下葉輪內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)如何在原有適合粒子圖像速度場(chǎng)儀( PIV)測(cè)量的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行 PDA 測(cè)量，并提出了改進(jìn)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(shì)等流動(dòng)特性。測(cè)試技術(shù)的發(fā)展必將進(jìn)一步推動(dòng)離心壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 1.2.2小流量離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀 F. Gui et al 進(jìn)行了高速小流量離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。在他的文獻(xiàn)里介紹了一種小流量高轉(zhuǎn)速的離心壓縮機(jī)的研究結(jié)果，結(jié)果表明：小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)在幾何特征與整機(jī)性能上與大型離心壓縮機(jī)存在區(qū)別，小流量高轉(zhuǎn)速的離心壓縮機(jī)在進(jìn)口處輪蓋與輪轂的直徑比較大，葉輪外徑與進(jìn)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(jī)大許多；在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，大型離心壓縮機(jī)的流量 -壓比曲線要比小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)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(jī)與大型離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是有區(qū)別的，大型離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法不能完全應(yīng)用于小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。F.Gui et al 設(shè)計(jì)了一個(gè)葉輪直徑僅為 63mm 的小流量高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)，其效率可達(dá) 84 %，這個(gè)數(shù)值較之從 20 世紀(jì) 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(dāng)大的進(jìn)步，這也表明：設(shè)計(jì)一個(gè)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(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的。 1.2.3 壓縮機(jī)的新發(fā)展 （一） 磁懸浮變頻離心壓縮機(jī) Turbocor是世界上第一臺(tái)應(yīng)用于通風(fēng)、空調(diào)和制冷領(lǐng)域的無油智慧型離心壓縮機(jī)。憑借久經(jīng)航天工業(yè)考驗(yàn)的磁軸承、變速離心壓縮以及數(shù)字電子技術(shù)，Turbocor壓縮機(jī)家族（名義制冷量90-150冷噸）可為中央空調(diào)市場(chǎng)中的水冷、蒸發(fā)冷卻及風(fēng)冷機(jī)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(xiàng)殊榮。 它具有以下特點(diǎn)： 1．磁懸浮無油運(yùn)行 磁懸浮技術(shù)可以完全避免傳統(tǒng)油潤滑軸承的高摩擦損失、復(fù)雜的潤滑油管理與控制。磁懸浮結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)通過電磁鐵和傳感器帶共同配合，精確調(diào)整轉(zhuǎn)子狀態(tài)。運(yùn)行時(shí)，傳感器帶進(jìn)行每分鐘600萬次的數(shù)據(jù)采集分析并提供調(diào)整的指令，保證轉(zhuǎn)子軸心偏差度始終在7微米以內(nèi)。2．變速驅(qū)動(dòng)離心壓縮Turbocor變速離心壓縮機(jī)使用直流變速驅(qū)動(dòng)的高速兩級(jí)壓縮。在冷負(fù)荷下降時(shí)，降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可在額定負(fù)荷的100%到20%，甚至更低的寬廣負(fù)荷范圍內(nèi)優(yōu)化壓縮機(jī)的能耗。通過一個(gè)可供選的、數(shù)字控制的負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)閥，壓縮機(jī)甚至可在接近零負(fù)荷的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。3．?dāng)?shù)字化、模塊化壓縮機(jī)丹佛斯Turbocor壓縮機(jī)集成壓縮機(jī)運(yùn)行、電子膨脹閥、冷水機(jī)組的數(shù)控系統(tǒng)，是一臺(tái)全部數(shù)字化、智能化的壓縮機(jī)。用戶可以利用開放的通訊接口，實(shí)現(xiàn)模塊化擴(kuò)展和人性化管理的開發(fā)。磁懸浮變頻離心壓縮機(jī)系統(tǒng)具有以下綜合特點(diǎn)： 超高節(jié)能：綜合能效比IPLV可達(dá)9.55！比傳統(tǒng)冷水機(jī)節(jié)能40％以上！ 高可靠：全方位的高可靠性保護(hù)技術(shù)，確?？照{(diào)機(jī)組從容應(yīng)對(duì)各種意外情況，長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。 長期超高效：空調(diào)系統(tǒng)無油運(yùn)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(yùn)行，大大降低運(yùn)行和維護(hù)成本。 自由擴(kuò)展：單壓縮機(jī)90－150冷噸，非常便于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)與模塊化運(yùn)行，適應(yīng)絕大部分場(chǎng)合的冷量需求。 超靜音：磁懸浮變頻空調(diào)無結(jié)構(gòu)震動(dòng)，機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)聲、氣流噪聲都降至最低，以前所未有的超靜音運(yùn)行，充分發(fā)掘大樓設(shè)備層的商業(yè)價(jià)值. 電氣成本降低：啟動(dòng)電流只有2安培，極大降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，大大減少了電器安全保護(hù)方面的投入。 易于運(yùn)輸，安裝，維護(hù)：Turbocor是傳統(tǒng)壓縮機(jī)重量的1/5，尺寸的1/2，機(jī)組非常便于運(yùn)輸和安裝。 環(huán)保冷媒：壓縮機(jī)采用環(huán)保冷媒R134a，保護(hù)地球環(huán)境。 （二） 微型電磁壓縮機(jī)的新發(fā)展 微型電磁壓縮機(jī)發(fā)明于20世紀(jì)30年代，由于一般永磁鐵所形成的直線電動(dòng)機(jī)效率低下，僅為45%～60%，由此使此種壓縮機(jī)由于能耗大而未能得到發(fā)展。近一個(gè)時(shí)期來，由于應(yīng)用NdFeB永磁材料，電機(jī)效率能達(dá)到95%，因此，人們又開始應(yīng)用電磁壓縮機(jī)。 （三） 使用合成潤滑油 它較礦物油的閃點(diǎn)高，對(duì)于那些排氣溫度超過180℃的機(jī)器，應(yīng)用合成潤滑油會(huì)更安全。 1.3 本課題研究的意義與內(nèi)容 離心壓縮機(jī)具有流量大、轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)組重量和占地面積小等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，深得廣大設(shè)計(jì)者及用戶的青睞。近年來國內(nèi)離心壓縮機(jī)的技術(shù)越來越成熟，離心式壓縮機(jī)在石化行業(yè)的發(fā)展前景愈加光明。 離心式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域，并且是石化裝置中最關(guān)鍵、最核心的設(shè)備之一，設(shè)備的可靠運(yùn)行對(duì)整個(gè)石化裝置的意義非常重大。氣閥是大型往復(fù)式壓縮機(jī)中最重要部件之一。目前，離心式壓縮機(jī)的國際發(fā)展方向是壓縮機(jī)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(jī)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)；三元流動(dòng)理論研究進(jìn)一步深入，不僅應(yīng)用到葉輪設(shè)計(jì)，還發(fā)展到葉片擴(kuò)壓器靜止元件設(shè)計(jì)中，機(jī)組效率得到提高；采用噪音防護(hù)技術(shù)，改善操作環(huán)境等。 隨著離心壓縮機(jī)的發(fā)展，各種工況對(duì)機(jī)器的要求也越來越高，這就導(dǎo)致離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高，為了確保離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠安全可靠、 長周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)和判別轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力可靠性，具有十分重要的理論和實(shí)際意義。因此如何保證離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造質(zhì)量成為了當(dāng)前普遍關(guān)注的另一個(gè)意義重大的課題。 正如上文所述壓縮機(jī)的用途極為廣泛，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防甚至生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是隨著近幾年的經(jīng)濟(jì)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(jī)在提高功率、提升穩(wěn)定性及噪音比，保持原有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)擴(kuò)大適用范圍等方面迎來了新時(shí)期賦予的無限憧憬，也為設(shè)計(jì)者提供更為廣闊的科研平臺(tái)。 （一） 設(shè)計(jì)參數(shù) 1 型號(hào)：MCL 2 型式：2MCL457離心式壓縮機(jī) 3 排氣量： 4 進(jìn)口壓力： 5 出口壓力： 6 進(jìn)口溫度：=30℃ 7 排氣溫度：=42℃ 8 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) （二） 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3 單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造與質(zhì)量控制研究（專題） 4 結(jié)論 第2章 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 離心壓縮機(jī)的工作原理 離心式壓縮機(jī)的工作原理是氣體進(jìn)入離心式壓縮機(jī)的葉輪后，在葉輪葉片的作用下，一邊跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，一邊在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下向葉輪出口流動(dòng)，并受到葉輪的擴(kuò)壓作用，其壓力能和動(dòng)能均得到提高，氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器后，動(dòng)能又進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為壓力能，氣體再通過彎道、回流器流入下一級(jí)葉輪進(jìn)一步壓縮，從而使氣體壓力達(dá)到工藝所需的要求。 2.1.1 離心壓縮機(jī)的主要特點(diǎn) (一) 流量大 離心壓縮機(jī)中氣體是連續(xù)流動(dòng)，流通截面較大，同時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速很高，故流量很大，進(jìn)氣量在5000m3/min以上。 (二) 轉(zhuǎn)速高 離心壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)子只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)速。 (三) 結(jié)構(gòu)緊湊 機(jī)組重量及占地面積都比同一氣量的活塞壓縮機(jī)小得多。 (四) 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠 由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件不直接接觸摩擦，因而運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣均勻、易損件少，一般可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一年以上。且不需備用機(jī)組，維修量小。 (五) 單級(jí)壓力比不高 目前排氣壓力需在500105Pa以上時(shí)，只能使用活塞壓縮機(jī)。 (六) 效率稍低 由于離心壓縮機(jī)中氣流速度較大，造成能量損失較大，故效率較活塞壓縮機(jī)稍低。 (七) 需要安全保障措施 由于離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高、功率大、無備機(jī)，因此一旦發(fā)生事故，后果是嚴(yán)重的，需有一系列緊急安全保障設(shè)施。 2.2 壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案選擇 2.2.1離心式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu) 圖2.1所示為一臺(tái)離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)視圖。機(jī)器結(jié)構(gòu)為2MCL型。離心壓縮機(jī)一般由殼體、轉(zhuǎn)子、定子、軸封以及輔助系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。 圖2.1 2MCL457離心壓縮機(jī) （一） 殼體 離心式壓縮機(jī)的殼體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式。 此次設(shè)計(jì)采用水平剖分，鑄造殼體。 （二） 轉(zhuǎn)子 壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子是壓縮機(jī)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(jī)中能使氣體提高能量的唯一元件葉輪按其整體結(jié)構(gòu)可分為開式、半開式和閉式三種，壓縮機(jī)中實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)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(kuò)壓器、回流器等，其中擴(kuò)壓器是能把速度能轉(zhuǎn)化為壓力能的元件。 離心式壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器分無葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器兩種。 無葉擴(kuò)壓器效率較低，但結(jié)構(gòu)簡單， 同一無葉擴(kuò)壓器可與不同出口角的葉輪匹配工作。 對(duì)于工況變化較大的情況，采用無葉擴(kuò)壓器較好。 具有相同擴(kuò)壓度時(shí)，葉片擴(kuò)壓器的徑向尺寸比無葉擴(kuò)壓器小， 對(duì)于工況變化小的情況，為了提高效率，以采用葉片擴(kuò)壓器較好。設(shè)計(jì)中采用有葉擴(kuò)壓器。 （四） 軸封 在離心式壓縮機(jī)的各級(jí)之間和主軸穿過機(jī)殼處，為了防止泄漏，安裝軸封裝置。軸封型式有迷宮密封、機(jī)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(gòu)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(zhì)、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(jī)器運(yùn)行時(shí)注入高壓油，密封環(huán)在旋轉(zhuǎn)的軸上浮動(dòng)，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(zhuǎn)速的離心式壓縮機(jī)。 機(jī)械密封由動(dòng)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(jié)構(gòu)緊湊，但摩擦副的線速度不能太高，工作時(shí)所需高于被密封的內(nèi)部氣體的潤滑油壓，要比采用浮環(huán)密封時(shí)高。機(jī)械密封一般在轉(zhuǎn)速n3000r/min時(shí)采用。機(jī)構(gòu)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?zé)N氣體和冷劑氣體等。設(shè)計(jì)中采用迷宮密封。 （五） 輔助系統(tǒng) 壓縮機(jī)安裝在底座上，通過底座固定在水泥基礎(chǔ)上。通過油站來提供潤滑或密封用油，有時(shí)需要?dú)怏w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(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，還需要配備變速機(jī)；在機(jī)組旁布置油、氣管線等。為了保證壓縮機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)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(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 級(jí)數(shù)選擇和各級(jí)壓力比的分配 3.1.1 級(jí)數(shù)的選擇 在選擇壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)時(shí)，一般應(yīng)遵循下列原則：使壓縮機(jī)消耗的功最小、排氣溫度應(yīng)在使用條件許可的范圍內(nèi)、機(jī)器重量輕、造價(jià)低。要使機(jī)器具有較高的熱效率，則級(jí)數(shù)越多越好（各級(jí)壓力比越小越好）。然而級(jí)數(shù)增多，則阻力損失增加，機(jī)器總效率反而降低，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，造價(jià)隨之大大上升。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求知道壓力比為： (3-1） 比較大，為了節(jié)能，宜選用多級(jí)中間冷卻型的壓縮機(jī)。級(jí)數(shù)約為6級(jí)或7級(jí)，本設(shè)計(jì)中選用7級(jí)?？刹捎脙杉?jí)中間冷卻，末級(jí)出口空氣的溫度也將大于42℃，為此只能在壓縮機(jī)中采用一個(gè)中間冷卻器，而在壓縮機(jī)出口之后設(shè)置第二個(gè)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(jī)輸送的空氣質(zhì)量流量為 （3-2） 取壓力升余量系數(shù)為1.04，則壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力比為 3.1.2流量系數(shù)的選擇 流量系數(shù) 一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 五級(jí) 六級(jí) 七級(jí) 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(jì)算 第一級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)算 第二級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)算 第三級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)算 第四級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)算 第五級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)算 第六級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)算 第七級(jí)理論能量頭Hth的計(jì)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(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 五級(jí) 六級(jí) 七級(jí) 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(jì)算 第一級(jí)總能量頭Htot的計(jì)算 Htot=（1+βdf +βl）Hth=55.973 kJ/kg 第二級(jí)總能量頭Htot的計(jì)算 Htot=（1+βdf +βl）Hth =57.924 kJ/kg 第三級(jí)總能量頭Htot的計(jì)算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =59.656 kJ/kg 第四級(jí)總能量頭Htot的計(jì)算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =49.211 kJ/kg 第五級(jí)總能量頭Htot的計(jì)算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =50.902 kJ/kg 第六級(jí)總能量頭Htot的計(jì)算 Htot=（1+βdf +βl）kJ/kg =52.606 kJ/kg 第七級(jí)總能量頭Htot的計(jì)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(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 五級(jí) 六級(jí) 七級(jí) ηpol 0.78 0.77 0.76 0.77 0.76 0.75 0.76 3.1.7各級(jí)壓力比的選擇 第一級(jí)的壓力比 第二級(jí)的壓力比 第三級(jí)的壓力比 第四級(jí)的壓力比 =1.4064 第五級(jí)的壓力比 第六級(jí)的壓力比 第七級(jí)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(jí)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(jí)為一段，第四級(jí)取D2=450mm，后三級(jí)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(gè)參數(shù)的確定以及電動(dòng)機(jī)的選擇 3.3.1 各級(jí)出口壓力的計(jì)算 第一級(jí)的出口壓力 第二級(jí)的出口壓力 第三級(jí)的出口壓力 第四級(jí)的出口壓力 第五級(jí)的出口壓力 第六級(jí)的出口壓力 第七級(jí)的出口壓力 3.3.2 出口溫度的計(jì)算 第一級(jí)的出口溫度 第二級(jí)的出口溫度 第三級(jí)的出口溫度 經(jīng)冷卻器冷卻后溫度為315K 第四級(jí)的出口溫度 第五級(jí)的出口溫度 第六級(jí)的出口溫度 第七級(jí)的出口溫度 經(jīng)冷卻器冷卻后溫度為315K 3.3.3 各級(jí)進(jìn)口流量及出口流量的計(jì)算 第一級(jí)進(jìn)口流量 第二級(jí)進(jìn)口流量 第三級(jí)進(jìn)口流量 第三級(jí)出口流量 第四級(jí)進(jìn)口流量 第五級(jí)進(jìn)口流量 第六級(jí)進(jìn)口流量 第七級(jí)進(jìn)口流量 第七級(jí)出口流量 3.3.4 等熵指數(shù)的kv2選取 等熵指數(shù) 一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 五級(jí) 六級(jí) 七級(jí) kv2 1.2 1.18 1.16 1.17 1.155 1.14 1.12 3.3.5 葉輪出口相對(duì)寬度的計(jì)算 第一級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 第二級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 第三級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 第四級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 第五級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 第六級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 第七級(jí)葉輪的出口相對(duì)寬度 3.3.6 電機(jī)的選擇 （一） 內(nèi)功率 （二） 效率ηm =0.97 （三） 軸功率 （四） 電機(jī)輸出功率Nd =1600k 根據(jù)以上的計(jì)算，兩個(gè)冷卻器應(yīng)按進(jìn)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(shè)計(jì)。根據(jù)以上計(jì)算，這臺(tái)離心壓縮機(jī)可以設(shè)計(jì)為2MCL457離心壓縮機(jī)。 3.4 主軸的校核 由于離心壓縮機(jī)的主軸在運(yùn)行中承受著扭矩、彎矩和離心力的作用，同時(shí)，還有振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力。因此在選擇主軸材料時(shí)，必須考慮材料的力學(xué)性能，所以主軸應(yīng)選用特殊的合金鋼結(jié)構(gòu)34CrMo1A。 軸強(qiáng)度校核 其強(qiáng)度條件為 式中 ——軸的扭剪應(yīng)力，MPa； T——軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，N?mm； ——軸的抗扭截面模量，mm3； P——軸傳遞的功率，kW； n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min； ——軸材料的許用扭剪應(yīng)力，MPa。 對(duì)于實(shí)心圓軸 ，則軸的直徑應(yīng)滿足 （4-17） 在本設(shè)計(jì)中，P=1600 kW，n=12200r/min。 查表知34CrMo1A的許用扭剪應(yīng)力。 將上述數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算得： 由上式求出的d值，一般作為軸端處的最小直徑。 本設(shè)計(jì)中軸受力的最小軸徑,安全。 第4章 單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造與質(zhì)量控制研究（專題） 4.1 轉(zhuǎn)子的簡介及組成 離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子支承在軸承上，由動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)而高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子組件是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部分，如果其中某個(gè)零部件出了毛病，或在某個(gè)連接配合部位發(fā)生了異常變動(dòng)，就會(huì)立即引起機(jī)組強(qiáng)烈的振動(dòng)。因此轉(zhuǎn)子的制造與質(zhì)量控制在整個(gè)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，制造過程中就顯得尤為重要。而作為轉(zhuǎn)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(zhì)量控制 目前在葉輪的加工方法有鉚接結(jié)構(gòu)、鑄造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、鍛造結(jié)構(gòu)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(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的缺陷，而怎樣處理這些缺陷對(duì)葉輪的加工則是至關(guān)重要的。本章則主要介紹三體焊接結(jié)構(gòu)的離心壓縮機(jī)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(jié)構(gòu)的，即葉片由靠?；驍?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(gè)別葉輪在精加工時(shí)，會(huì)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(jī)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(fù)雜。葉輪材料為KMn。制造中三體焊接的離心壓縮機(jī)葉輪在輪盤、輪蓋表面各預(yù)留0. 2mm的精加工量，外徑端面預(yù)留0. 60mm加工量。當(dāng)精加工到圖紙尺寸公差范圍內(nèi)時(shí)，個(gè)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(jī)制造葉輪時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓缸第三級(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在應(yīng)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(jí)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(dá)到圖紙幾何尺寸，為了消除缺陷保證葉輪質(zhì)量，要解決的關(guān)鍵問題是(1)不能因焊接變形而造成葉輪尺寸超差導(dǎo)致報(bào)廢，即補(bǔ)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(nèi)；(2)焊后熱處理后必須保證葉輪的機(jī)械性能和金相組織；同時(shí)葉輪熱處理時(shí)必須防止表面氧化脫碳及變形。 (一) 檢測(cè)方法 (1)使用著色法（或磁粉）檢測(cè)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(yīng)小于或等于10-3T； (2)用超聲波檢測(cè)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(gè)對(duì)比試驗(yàn)。(l)焊后回火處理對(duì)硬度和金相組織的試驗(yàn)：將補(bǔ)焊后未立即進(jìn)行回火處理的葉輪試樣進(jìn)行檢測(cè)補(bǔ)焊區(qū)的金相組織和硬度，。 由此表明，補(bǔ)焊區(qū)出現(xiàn)條狀馬氏體，硬度亦高，這說明補(bǔ)焊區(qū)應(yīng)立即進(jìn)行回火處理；(2)回火次數(shù)對(duì)機(jī)械性能影響的試驗(yàn)：按國內(nèi)外技術(shù)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(gè)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(duì)機(jī)械性能的影響是不大的。因此，可采用補(bǔ)焊方法來消除葉輪缺陷，并證實(shí)焊接工藝及焊后熱處理是與葉輪質(zhì)量密切相關(guān)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(shí)，在輪蓋表面上打磨深度應(yīng)嚴(yán)格控制。建議在離葉輪外緣12. 8mm的范圍內(nèi)不能打磨；在離葉輪外緣12. 5—60mm范圍內(nèi)允許打磨，打磨深度不超過0. 35mm。此數(shù)值與國內(nèi)動(dòng)平衡去重時(shí)的要求基本一致；(2)缺陷深時(shí)，可用dl:)5mm鉆頭打孔去除缺陷，用手工焊或氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊。焊前要預(yù)熱，焊后消除應(yīng)力。經(jīng)精整后，用著色法對(duì)葉輪表面檢查補(bǔ)焊區(qū)焊縫及熱影響區(qū)，并進(jìn)行最終檢驗(yàn)。 4.2.3補(bǔ)焊處理 (一) 流道口未焊透的處理 1、焊前準(zhǔn)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(yù)熱350℃，保溫2h;(2)采用氬弧焊，氬氣必須預(yù)熱到150℃左右，縱免焊肉激冷。預(yù)熱方法是將氬氣通過36V氣體預(yù)熱器；(3)焊絲采用H13CrMoA，為慎重起見，使用前在理化試驗(yàn)室用光譜法確認(rèn)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(yù)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(jìn)爐熱處理，消除應(yīng)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?dú)猓┍Ｗo(hù)，我公司采用氬氣保護(hù)，流量控制在1. 2～1. 6L/min，并保證熱處理爐內(nèi)氣氛為正壓。 4、尺寸復(fù)核 熱處理后復(fù)核尺寸如下：內(nèi)孔均勻漲大0．0lmm，屬公差允許范圍內(nèi)； 外徑補(bǔ)焊處局部漲大0.0lmm;與輪蓋補(bǔ)焊區(qū)對(duì)應(yīng)部份的輪盤被凸出0. 04mm。 5、葉輪精整 按技術(shù)條件葉輪最大直徑側(cè)面偏擺量允許值為0. 1mm，葉輪最大外徑跳動(dòng)量允許值為0.1mm。經(jīng)對(duì)葉輪外徑和輪盤精車光刀后，其結(jié)果均符合技術(shù)條件。 6、最終檢驗(yàn) 經(jīng)著色檢查、做動(dòng)平衡、單個(gè)葉輪超速試驗(yàn)后均合格。 (二) 表面顯微裂紋的處理 對(duì)第七級(jí)葉輪采用手工焊補(bǔ)焊處理。 1、焊前準(zhǔn)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(yīng)有尖角，且無油污等物；丙酮清洗坡口。 2、焊接工藝(l)預(yù)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(jié)857+鉻，焊條直徑下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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